Highly Flexible Structures

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出版者:American Institute of Aeronautics & Astronautics
作者:Pai, Frank
出品人:
页数:695
译者:
出版时间:2007-6
价格:$ 146.84
装帧:HRD
isbn号码:9781563479175
丛书系列:
图书标签:
  • 结构工程
  • 柔性结构
  • 材料力学
  • 结构分析
  • 有限元分析
  • 力学性能
  • 结构设计
  • 工程力学
  • 弹性力学
  • 结构稳定性
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具体描述

This book provides new methods and advanced experimental techniques for the design, analysis, and testing of highly flexible deployable/inflatable structures (HFSs), including systematic nonlinear modeling approaches, newly developed geometrically exact structural theories, numerically exact solution methods, fully nonlinear finite element techniques, and non-contact techniques for static and dynamic testing. Chapter 1 summarizes characteristics of HFSs, points out challenging modeling and analysis issues, and presents state-of-the-art measurement systems that are appropriate for testing HFSs. Chapter 2 presents the fundamentals of structural mechanics to prepare the reader for geometrically exact modeling of HFSs. Chapter 3 presents the fundamentals of nonlinear finite element analysis and the multiple shooting method of solving nonlinear ordinary differential equations for numerically exact solutions. The book then proceeds in treating different structural systems from simple 1D systems (trusses and cables in chapter 4, and beams in chapter 5), to 2D systems (plats and shells in chapter 6, and membranes in chapter 7), and to complex systems (smart structures in chapter 8). The author uses the lowest possible level of mathematical complexity as possible to convey concepts. In addition to more than 350 descriptive illustrations, the accompanying DVD contains computer programs and digital movies of experiments. These computer codes and visual tools aid the reader in quickly developing a basic understanding. The text, chapter questions, solutions manual, and accompanying DVD will support a one-semester graduate-level course.

好的,这是一本关于先进材料与结构设计理论的书籍简介,完全不提及《Highly Flexible Structures》这本书,内容详尽且力求自然流畅: --- 《韧性与适应性工程:现代材料在极端环境下的结构行为研究》 书籍概述 在工程实践的边界不断被拓宽的今天,材料科学与结构力学的交叉融合已成为推动技术革新的核心驱动力。本书《韧性与适应性工程:现代材料在极端环境下的结构行为研究》,深入剖析了新一代功能材料——包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料、形状记忆合金(SMA)以及先进纤维增强聚合物(FRP)——在应对高应力、宽温域及动态载荷环境时所展现出的独特力学响应与本构关系。 本书旨在为结构工程师、材料科学家以及从事前沿工程设计的研究人员提供一个全面、深入的理论框架与实验验证基础。我们关注的焦点不再仅仅是传统意义上的“强度”或“刚度”,而是材料系统在复杂载荷作用下的“韧性(Resilience)”、“自适应性(Adaptivity)”以及“长期服役可靠性”。 核心内容板块 本书结构严谨,分为五个主要部分,层层递进,从微观材料机理拓展至宏观系统集成: 第一部分:前沿材料的本构特性与非线性力学 本部分奠定了全书的理论基础,重点探讨了非传统结构材料在超出线性弹性范围时的复杂行为。 1. 智能材料的本构模型构建: 详细阐述了形状记忆合金(如Ni-Ti基合金)在热力耦合作用下的双晶塑性模型(Two-Way Twinning Plasticity Model)。重点解析了其应力诱发马氏体相变(Stress-Induced Martensitic Transformation)过程中的滞后效应和能量耗散机制。对于FRPs,则侧重于引入损伤容限(Damage Tolerance)概念,建立多尺度损伤演化模型,精确预测纤维/基体界面脱粘和基体微裂纹的扩展速率。 2. 黏弹性与蠕变行为的精确量化: 针对高分子基复合材料在长期载荷作用下的蠕变和应力松弛现象,本书采用了改进的Prony级数模型结合广义Maxwell模型,通过引入温度依赖性参数(由Williams-Landel-Ferry方程校正),实现了对材料在50年服役期内变形预测的精度提升。此外,我们探讨了超高分子量聚乙烯在超高分子量和特定拉伸比下的非经典流变学特征。 3. 疲劳损伤的累积与预测: 传统Miner法则在评估复杂载荷谱(如随机载荷或多轴疲劳)下的适用性受到挑战。本章引入了基于能量释放率的疲劳裂纹扩展准则,特别是针对具有显著非线性基体的复合材料。通过对局部应力场的精确计算,我们提出了一种新的疲劳寿命预测方法,该方法能够有效识别“关键缺陷”位置对整体结构寿命的决定性影响。 第二部分:极端环境下的热力耦合与相变响应 工程结构越来越多地面临着极高或极低温、高湿度以及辐射等严苛条件。本部分聚焦于材料在这些环境下的性能退化与功能维持。 1. 低温脆性和高热冲击的应对: 详细分析了超低温(例如液氮温度或深空环境)下材料的玻璃化转变(Tg)对力学性能的急剧影响。针对低温脆性问题,我们研究了纳米填料(如碳纳米管或石墨烯片层)在聚合物基体中对提高断裂韧性和抑制冷脆效应的协同作用机制。 2. 热耦合下的结构稳定性分析: 对形状记忆合金在温变过程中的自恢复(Self-Healing)能力进行了深入的有限元模拟。构建了考虑体积膨胀、热应力和相变应力的全耦合模型,用以指导SMA驱动器和自适应索网系统的设计,确保其在温度波动下的几何精度。 第三部分:动态载荷与冲击响应分析 本书对结构在瞬态、高频载荷下的响应机制进行了深入探究,这对于航空航天、高速铁路和冲击防护领域至关重要。 1. 超快载荷下的材料速率效应: 阐述了材料的应变率敏感性(Strain Rate Sensitivity)对宏观力学行为的影响。采用分离式霍普金森杆(SHPB)技术的数据分析方法,精确测定了UHMWPE纤维在不同应变率下的拉伸强度,并将其纳入高精度数值模型。 2. 冲击波传播与能量吸收机制: 针对夹层结构和多孔吸能材料,本章详细分析了冲击波在非均匀介质中的传播、反射与透射规律。研究了利用不同刚度层的梯度设计来优化能量耗散路径,特别是通过控制界面结合强度来实现冲击能量的有效转移和吸收。 第四部分:先进结构设计与优化方法 理论研究必须服务于实际工程应用。本部分将前述的材料行为知识转化为具体的设计工具和优化策略。 1. 拓扑优化与材料分布: 结合生物力学灵感,探讨了基于性能指标(如刚度最大化、应力集中最小化)的结构拓扑优化算法。重点展示了如何将具有特殊功能的材料(如SMA)集成到结构的关键受力区域,实现“功能集成化设计”。 2. 结构健康监测(SHM)与寿命预测: 引入了压电传感器网络(PZT)在复合材料结构中嵌入式的应用。通过分析传感器采集的导波信号的频散和衰减特性,实现对早期微裂纹和分层损伤的无损实时评估。 第五部分:案例研究与未来展望 本书以多个前沿工程应用案例来检验和展示理论模型的有效性: 高性能防护装甲系统: 基于梯度功能材料(Functionally Graded Materials, FGM)的轻质化穿透防护设计。 空间桁架与可展开结构: 探讨如何利用形状记忆合金实现高精度、低功耗的机构展开与锁紧。 海洋工程中的耐腐蚀与抗疲劳设计: 针对纤维增强材料在盐雾环境下的长期性能退化模型。 总结: 《韧性与适应性工程》是一部面向未来的工程参考书,它超越了传统线性分析的局限,为工程师们提供了驾驭复杂材料体系、设计具备高度环境适应性和服役可靠性的下一代工程结构所需的知识储备与分析工具。本书的深度和广度,确保了它在现代材料与结构工程领域中占据重要的学术和实践地位。 ---

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