本書旨在引導(dǎo)讀者了解當(dāng)代工程發(fā)展對(duì)力學(xué)的強(qiáng)烈需求、力學(xué)發(fā)展應(yīng)解決的工程問(wèn)題，進(jìn)而為從事工程力學(xué)研究做必要的準(zhǔn)備。全書包括基本方法篇，動(dòng)力學(xué)篇，固體力學(xué)篇，流體力學(xué)篇。在基本方法篇，主要介紹如何從系統(tǒng)科學(xué)角度審視與力學(xué)相關(guān)的工程問(wèn)題，如何對(duì)工程力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行定性研究、機(jī)理研究、數(shù)據(jù)研究，把握工程力學(xué)問(wèn)題的內(nèi)在規(guī)律。在此后幾篇，選擇了我國(guó)學(xué)者在航空航天、船舶推進(jìn)、高速鐵路、高層建筑、柔性電子、風(fēng)力發(fā)電、武器戰(zhàn)斗部等工程領(lǐng)域的11個(gè)力學(xué)研究案例，分別介紹如何將復(fù)雜的工程力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，梳理研究思路，最終解決問(wèn)題，滿足工程設(shè)計(jì)、研制和運(yùn)行需求。
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目錄
前言
第一篇 基本方法篇
第1章 工程研究的系統(tǒng)思維 003
1.1 科學(xué)、技術(shù)、工程 003
1.1.1 科學(xué)、技術(shù)、工程的界定 003
1.1.2 科學(xué)技術(shù)工程的三元論 004
1.1.3 顛覆性技術(shù) 006
1.1.4 工程科學(xué)觀 007
1.2 系統(tǒng)科學(xué) 009
1.2.1 系統(tǒng)與系統(tǒng)思維 009
1.2.2 系統(tǒng)科學(xué)及其特征 009
1.3 工程系統(tǒng) 010
1.3.1 工程系統(tǒng)的主要特征 011
1.3.2 工程系統(tǒng)的模型化 014
1.4 系統(tǒng)工程 015
1.4.1 系統(tǒng)工程的概念 015
1.4.2 大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方法 016
1.4.3 綜合集成方法 017
1.5 基于模型的系統(tǒng)工程 018
1.5.1 系統(tǒng)工程的新發(fā)展 018
1.5.2 產(chǎn)品的模型體系 019
1.5.3 產(chǎn)品的研制流程 021
思考題 022
拓展閱讀文獻(xiàn) 022
第2章 工程力學(xué)的定性研究 024
2.1 因果分析 024
2.1.1 因果關(guān)系 024
2.1.2 相關(guān)關(guān)系 027
2.2 量綱分析 028
2.2.1 量綱分析的原理 029
2.2.2 量綱分析的步驟 032
2.2.3 量綱分析的局限與改進(jìn) 036
2.3 相似分析 039
2.3.1 相似模型 039
2.3.2 相似變量 041
2.4 對(duì)稱性分析 043
2.4.1 鏡像對(duì)稱系統(tǒng) 044
2.4.2 循環(huán)對(duì)稱系統(tǒng) 050
2.4.3 對(duì)稱性破缺 055
思考題 056
拓展閱讀文獻(xiàn) 057
第3章 工程力學(xué)的機(jī)理研究 058
3.1 穩(wěn)定性分析 058
3.1.1 靜態(tài)穩(wěn)定性 058
3.1.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 066
3.1.3 流動(dòng)穩(wěn)定性 073
3.2 非線性分析 077
3.2.1 幾何非線性 077
3.2.2 物理非線性 081
3.2.3 計(jì)算和分析方法 087
3.2.4 典型現(xiàn)象及其機(jī)理 092
3.3 多尺度分析 097
3.3.1 空間多尺度問(wèn)題 098
3.3.2 時(shí)間多尺度問(wèn)題 106
3.3.3 時(shí)空多尺度問(wèn)題 109
3.4 耦合分析 110
3.4.1 耦合的簡(jiǎn)化 110
3.4.2 剛?cè)狁詈蠁?wèn)題 112
3.4.3 流固耦合問(wèn)題 115
3.4.4 力熱耦合問(wèn)題 122
3.4.5 力電耦合問(wèn)題 129
3.5 延遲分析 133
3.5.1 幾種典型延遲 133
3.5.2 穩(wěn)定性切換 135
3.5.3 Hopf分岔 137
3.6 不確定性分析 139
3.6.1 不確定性參數(shù) 140
3.6.2 隨機(jī)過(guò)程與隨機(jī)場(chǎng) 143
3.6.3 隨機(jī)激勵(lì)下的系統(tǒng)響應(yīng) 146
3.6.4 含不確定參數(shù)的系統(tǒng)響應(yīng) 149
思考題 153
拓展閱讀文獻(xiàn) 154
第4章 工程力學(xué)的數(shù)據(jù)研究 155
4.1 數(shù)據(jù)采集 155
4.1.1 Nyquist采樣 156
4.1.2 壓縮感知 157
4.2 數(shù)據(jù)分析 160
4.2.1 Fourier分析 160
4.2.2 小波分析 165
4.2.3 本征正交分解 169
4.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模 174
4.3.1 線性回歸模型 175
4.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 178
4.3.3 嵌入知識(shí)建模 183
思考題 188
拓展閱讀文獻(xiàn) 188
第二篇 動(dòng)力學(xué)篇
第5章 “嫦娥二號(hào)”拓展任務(wù)的飛行軌道設(shè)計(jì) 193
5.1 研究背景 193
5.2 對(duì)飛往日地Lagrange點(diǎn)的認(rèn)識(shí) 194
5.2.1 簡(jiǎn)化模型 194
5.2.2 Lagrange點(diǎn)及其附近的軌道 196
5.3 從繞月軌道至日地L2點(diǎn)的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì) 200
5.3.1 低能耗軌道轉(zhuǎn)移的可行性 201
5.3.2 低能耗轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì) 202
5.3.3 任務(wù)實(shí)施效果 205
5.4 再次拓展任務(wù)分析 206
5.4.1 行星際飛行任務(wù)及其約束 206
5.4.2 行星際飛行任務(wù)的探測(cè)目標(biāo)選擇 207
5.4.3 飛越探測(cè)近地小行星的目標(biāo)選擇 208
5.5 飛越探測(cè)小行星的軌道設(shè)計(jì) 211
5.5.1 轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì) 211
5.5.2 任務(wù)實(shí)施效果 213
5.6 問(wèn)題與展望 214
思考題 216
拓展閱讀文獻(xiàn) 217
第6章 高速鐵路的動(dòng)力學(xué)選線設(shè)計(jì) 218
6.1 研究背景 218
6.1.1 傳統(tǒng)鐵路選線設(shè)計(jì) 218
6.1.2 現(xiàn)代鐵路動(dòng)力學(xué)選線設(shè)計(jì)理念 219
6.2 對(duì)車輛 軌道耦合動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí) 220
6.2.1 車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型 221
6.2.2 車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真 229
6.2.3 車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)案例 231
6.3 高速鐵路線路平縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 233
6.3.1 列車與線路動(dòng)態(tài)性能最佳匹配設(shè)計(jì)原理 233
6.3.2 線路平縱斷面動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 234
6.4 高速鐵路動(dòng)力學(xué)選線設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐 235
6.4.1 廣深港高速鐵路選線設(shè)計(jì) 236
6.4.2 京滬高速鐵路選線設(shè)計(jì)優(yōu)化 240
6.5 問(wèn)題與展望 243
思考題 243
拓展閱讀文獻(xiàn) 244
第7章 高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震整體可靠性分析 245
7.1 研究背景 245
7.2 對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的認(rèn)識(shí) 247
7.2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的主要類型 247
7.2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)問(wèn)題 247
7.3 高層建筑結(jié)構(gòu)的線性地震響應(yīng) 249
7.3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型 249
7.3.2 地震動(dòng)的加速度功率譜密度 254
7.3.3 隨機(jī)地震響應(yīng)分析 255
7.4 高層建筑結(jié)構(gòu)的非線性地震響應(yīng)與整體可靠性 258
7.4.1 非線性結(jié)構(gòu)響應(yīng)精細(xì)化分析的力學(xué)基礎(chǔ) 258
7.4.2 隨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的概率密度演化 264
7.4.3 非線性隨機(jī)地震響應(yīng)與結(jié)構(gòu)整體可靠性 267
7.5 問(wèn)題與展望 270
思考題 270
拓展閱讀文獻(xiàn) 271
第三篇 固體力學(xué)篇
第8章 裝備結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì) 275
8.1 研究背景 275
8.2 對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí) 277
8.2.1 輕量化設(shè)計(jì)的表述 277
8.2.2 材料的選擇 278
8.2.3 材料與形狀組合的選擇 279
8.3 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì) 282
8.3.1 艦船升降跳板及其力學(xué)模型 282
8.3.2 輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì) 283
8.3.3 輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 287
8.3.4 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的流程 291
8.4 輕巧承力功能一體超結(jié)構(gòu)研究 292
8.4.1 輕巧承力散熱超結(jié)構(gòu) 293
8.4.2 輕巧承力可重構(gòu)超結(jié)構(gòu) 294
8.4.3 輕巧承力吸能一體超結(jié)構(gòu) 294
8.4.4 輕巧承力吸能 降噪一體超結(jié)構(gòu) 296
8.4.5 輕巧承力吸能一體曲面超結(jié)構(gòu) 297
8.4.6 輕巧承力吸能含液多孔超結(jié)構(gòu) 298
8.5 問(wèn)題與展望 299
思考題 300
拓展閱讀文獻(xiàn) 300
第9章 大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 302
9.1 研究背景 302
9.2 對(duì)主傳力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí) 303
9.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析 303
9.2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與約束條件 304
9.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的表述 305
9.2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化概述 305
9.3 空間桁架型主傳力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 306
9.3.1 基結(jié)構(gòu)法與等應(yīng)力準(zhǔn)則 306
9.3.2 主傳力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例 309
9.4 連續(xù)體型主傳力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 314
9.4.1 連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法簡(jiǎn)介 315
9.4.2 主傳力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例 319
9.4.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的幾何重建 320
9.4.4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的校核 320
9.4.5 關(guān)于優(yōu)化設(shè)計(jì)效能的討論 322
9.5 問(wèn)題與展望 322
思考題 323
拓展閱讀文獻(xiàn) 324
第10章 基于高溫復(fù)合材料的空天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 325
10.1 研究背景 325
10.2 對(duì)高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí) 327
10.2.1 高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)的載荷約束 327
10.2.2 高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn) 328
10.2.3 高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)思路 329
10.3 高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)方法 331
10.3.1 材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 332
10.3.2 材料高溫力學(xué)性能與行為實(shí)驗(yàn)表征 333
10.3.3 材料本構(gòu)關(guān)系和斷裂強(qiáng)度理論 335
10.3.4 結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì) 340
10.3.5 結(jié)構(gòu)高溫強(qiáng)度定量評(píng)價(jià) 342
10.4 工程實(shí)踐 火箭用發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià) 345
10.4.1 噴管結(jié)構(gòu)的服役工況與邊界條件 345
10.4.2 噴管結(jié)構(gòu)的承載／防隔熱一體化設(shè)計(jì) 346
10.4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管考核驗(yàn)證 348
10.5 問(wèn)題與展望 349
思考題 350
拓展閱讀文獻(xiàn) 350
第11章 柔性電子器件的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì) 352
11.1 研究背景 352
11.2 對(duì)電子器件結(jié)構(gòu)柔性化的認(rèn)識(shí) 353
11.2.1 可彎曲結(jié)構(gòu) 354
11.2.2 可延伸結(jié)構(gòu) 354
11.3 結(jié)構(gòu)柔性化設(shè)計(jì) 355
11.3.1 波浪結(jié)構(gòu) 355
11.3.2 島橋結(jié)構(gòu) 362
11.3.3 三維可延伸柔性結(jié)構(gòu) 366
11.3.4 柔性基體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 370
11.4 問(wèn)題與展望 375
思考題 376
拓展閱讀文獻(xiàn) 377
第四篇 流體力學(xué)篇
第12章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì) 381
12.1 研究背景 381
12.2 對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí) 383
12.2.1 葉片設(shè)計(jì)的前提 383
12.2.2 葉片汲取風(fēng)能的簡(jiǎn)化分析 384
12.2.3 葉片設(shè)計(jì)思路 386
12.3 風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法 389
12.3.1 幾何特性描述 389
12.3.2 氣動(dòng)特性描述 390
12.3.3 葉素動(dòng)量理論 392
12.3.4 氣動(dòng)彈性分析 396
12.3.5 氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程 399
12.4 風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐 400
12.4.1 翼型族選取 400
12.4.2 氣動(dòng)外形設(shè)計(jì) 401
12.4.3 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì) 402
12.4.4 氣動(dòng)彈性考核 403
12.5 問(wèn)題與展望 405
思考題 405
拓展閱讀文獻(xiàn) 406
第13章 武器戰(zhàn)斗部的聚能射流效應(yīng)設(shè)計(jì) 407
13.1 研究背景 407
13.2 對(duì)聚能射流效應(yīng)的認(rèn)識(shí) 408
13.2.1 聚能射流的基本概念 408
13.2.2 聚能射流的形成過(guò)程 410
13.2.3 聚能射流對(duì)靶板的破甲 411
13.3 聚能射流及其破甲的近似理論 413
13.3.1 聚能射流效應(yīng)的近似分析 413
13.3.2 破甲深度的近似分析 416
13.4 聚能射流效應(yīng)設(shè)計(jì)方法 418
13.4.1 炸藥及其裝藥設(shè)計(jì) 418
13.4.2 藥型罩設(shè)計(jì) 419
13.4.3 炸高設(shè)計(jì) 422
13.5 反坦克火箭彈的聚能射流戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì) 423
13.5.1 理論設(shè)計(jì) 423
13.5.2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 425
13.6 問(wèn)題與展望 426
思考題 427
拓展閱讀文獻(xiàn) 427
第14章 船舶螺旋槳的空泡流預(yù)報(bào) 428
14.1 研究背景 428
14.2 對(duì)螺旋槳空泡流的認(rèn)識(shí) 430
14.2.1 空化的物理機(jī)制 430
14.2.2 空泡類型與關(guān)鍵動(dòng)力因素 432
14.3 螺旋槳空泡流建模和分析 434
14.3.1 球泡動(dòng)力學(xué)模型 434
14.3.2 空化模型的建立與多相流模擬 436
14.4 螺旋槳空泡流模擬及其應(yīng)用 439
14.4.1 螺旋槳性能及水洞實(shí)驗(yàn) 440
14.4.2 均勻流場(chǎng)的螺旋槳空泡預(yù)報(bào) 443
14.4.3 非均勻伴流場(chǎng)的螺旋槳空泡預(yù)報(bào) 444
14.5 螺旋槳的梢渦空泡噪聲預(yù)報(bào) 448
14.6 問(wèn)題與展望 451
思考題 453
拓展閱讀文獻(xiàn) 454
第15章 高超聲速飛行的流動(dòng)失穩(wěn)和轉(zhuǎn)捩預(yù)報(bào) 455
15.1 研究背景 455
15.2 對(duì)流動(dòng)失穩(wěn)及轉(zhuǎn)捩的認(rèn)識(shí) 457
15.2.1 失穩(wěn)模態(tài)與轉(zhuǎn)捩路徑 457
15.2.2 邊界層失穩(wěn)與轉(zhuǎn)捩的典型結(jié)果 459
15.3 流動(dòng)穩(wěn)定性分析與案例 462
15.3.1 流動(dòng)穩(wěn)定性分析概述 462
15.3.2 特征值問(wèn)題的數(shù)值求解方法 464
15.3.3 絕熱平板附近流動(dòng)的穩(wěn)定性 465
15.3.4 流動(dòng)穩(wěn)定性的中性曲線 468
15.4 高超聲速邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩的數(shù)值預(yù)報(bào) 469
15.4.1 湍流模式簡(jiǎn)介 469
15.4.2 流動(dòng)轉(zhuǎn)捩過(guò)程的間歇性 471
15.4.3 考慮擾動(dòng)特征尺度的邊界層轉(zhuǎn)捩模式 471
15.4.4 轉(zhuǎn)捩模式的考核案例 473
15.4.5 x51A飛行器風(fēng)洞模型的轉(zhuǎn)捩預(yù)報(bào) 475
15.5 問(wèn)題與展望 477
思考題 478
拓展閱讀文獻(xiàn) 479
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