| 基本信息 |
| 图书名称： | 力学工程问题(全彩版)精 |
| 作者： | 胡海岩 |
| 出版社定价： | 330.00元 |
| ISBN号： | 9787030786173 |
| 出版社： | 科学出版社 |
| 开本： | 16开 |
| 装帧： | 精装 |
| 内容介绍 |
| 《力学工程问题【全彩版】》与杨卫教授所著的《力学基本问题》构成姊妹篇，引导读者学习力学、研究力学、欣赏力学、热爱力学。《力学工程问题【全彩版】》基于当代工程技术对力学的需求，介绍解决工程力学问题的主要方法和典型案例，为从事工程力学研究做必要准备。《力学工程问题【全彩版】》共15章，分为基本方法篇、动力学篇、固体力学篇、流体力学篇。基本方法篇介绍如何从系统科学高度审视工程中的力学问题，如何对力学问题进行定性研究、机理研究、数据研究，进而把握其内在规律。此后三篇选择我国学者在航天、航空、船舶、交通、建筑、电子、能源、武器等领域的11个工程力学研究案例，分别介绍如何将复杂力学问题进行简化，梳理研究思路，*终解决问题，满足工程设计、研制和运行需求。 |
| 作者介绍 |
| 胡海岩 北京理工大学教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，匈牙利科学院外籍院士，兼任中国科学院学部主席团成员、科学道德建设委员会主任，国务院学位委员会力学学科评议组召集人。曾任德国斯图加特大学洪堡基金研究员，南京航空航天大学教授、校长，北京理工大学校长，中国力学学会理事长，中国振动工程学会理事长等。 长期从事飞行器结构动力学与控制的人才培养和科学研究，获国家级教学成果奖一等奖，国家自然科学奖二等奖，国家科技进步奖二等奖;还荣获美国ASME Thomas Caughey Dynamics Medal、俄罗斯莫斯科大学名誉博士等。 |
| 目录 |
| 目录 前言 **篇 基本方法篇 第1章 工程研究的系统思维 003 1.1 科学、技术、工程 003 1.1.1 科学、技术、工程的界定 003 1.1.2 科学技术工程的三元论 004 1.1.3 颠覆性技术 006 1.1.4 工程科学观 007 1.2 系统科学 009 1.2.1 系统与系统思维 009 1.2.2 系统科学及其特征 009 1.3 工程系统 010 1.3.1 工程系统的主要特征 011 1.3.2 工程系统的模型化 014 1.4 系统工程 015 1.4.1 系统工程的概念 015 1.4.2 大系统分解协调方法 016 1.4.3 综合集成方法 017 1.5 基于模型的系统工程 018 1.5.1 系统工程的新发展 018 1.5.2 产品的模型体系 019 1.5.3 产品的研制流程 021 思考题 022 拓展阅读文献 022 第2章 工程力学的定性研究 024 2.1 因果分析 024 2.1.1 因果关系 024 2.1.2 相关关系 027 2.2 量纲分析 028 2.2.1 量纲分析的原理 029 2.2.2 量纲分析的步骤 032 2.2.3 量纲分析的局限与改进 036 2.3 相似分析 039 2.3.1 相似模型 039 2.3.2 相似变量 041 2.4 对称性分析 043 2.4.1 镜像对称系统 044 2.4.2 循环对称系统 050 2.4.3 对称性破缺 055 思考题 056 拓展阅读文献 057 第3章 工程力学的机理研究 058 3.1 稳定性分析 058 3.1.1 静态稳定性 058 3.1.2 动态稳定性 066 3.1.3 流动稳定性 073 3.2 非线性分析 077 3.2.1 几何非线性 077 3.2.2 物理非线性 081 3.2.3 计算和分析方法 087 3.2.4 典型现象及其机理 092 3.3 多尺度分析 097 3.3.1 空间多尺度问题 098 3.3.2 时间多尺度问题 106 3.3.3 时空多尺度问题 109 3.4 耦合分析 110 3.4.1 耦合的简化 110 3.4.2 刚柔耦合问题 112 3.4.3 流固耦合问题 115 3.4.4 力热耦合问题 122 3.4.5 力电耦合问题 129 3.5 延迟分析 133 3.5.1 几种典型延迟 133 3.5.2 稳定性切换 135 3.5.3 Hopf分岔 137 3.6 不确定性分析 139 3.6.1 不确定性参数 140 3.6.2 随机过程与随机场 143 3.6.3 随机激励下的系统响应 146 3.6.4 含不确定参数的系统响应 149 思考题 153 拓展阅读文献 154 第4章 工程力学的数据研究 155 4.1 数据采集 155 4.1.1 Nyquist采样 156 4.1.2 压缩感知 157 4.2 数据分析 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 数据驱动建模 174 4.3.1 线性回归模型 175 4.3.2 神经网络模型 178 4.3.3 嵌入知识建模 183 思考题 188 拓展阅读文献 188 第二篇 动力学篇 第5章 “嫦娥二号”拓展任务的飞行轨道设计 193 5.1 研究背景 193 5.2 对飞往日地Lagrange点的认识 194 5.2.1 简化模型 194 5.2.2 Lagrange点及其附近的轨道 196 5.3 从绕月轨道至日地L2点的转移轨道设计 200 5.3.1 低能耗轨道转移的可行性 201 5.3.2 低能耗转移轨道设计 202 5.3.3 任务实施效果 205 5.4 再次拓展任务分析 206 5.4.1 行星际飞行任务及其约束 206 5.4.2 行星际飞行任务的探测目标选择 207 5.4.3 飞越探测近地小行星的目标选择 208 5.5 飞越探测小行星的轨道设计 211 5.5.1 转移轨道设计 211 5.5.2 任务实施效果 213 5.6 问题与展望 214 思考题 216 拓展阅读文献 217 第6章 高速铁路的动力学选线设计 218 6.1 研究背景 218 6.1.1 传统铁路选线设计 218 6.1.2 现代铁路动力学选线设计理念 219 6.2 对车辆 轨道耦合动力学的认识 220 6.2.1 车辆轨道耦合动力学模型 221 6.2.2 车辆轨道耦合动力学数值仿真 229 6.2.3 车辆轨道耦合动力学案例 231 6.3 高速铁路线路平纵断面优化设计方法 233 6.3.1 列车与线路动态性能*佳匹配设计原理 233 6.3.2 线路平纵断面动态优化设计方法 234 6.4 高速铁路动力学选线设计应用实践 235 6.4.1 广深港高速铁路选线设计 236 6.4.2 京沪高速铁路选线设计优化 240 6.5 问题与展望 243 思考题 243 拓展阅读文献 244 第7章 高层建筑结构的抗震整体可靠性分析 245 7.1 研究背景 245 7.2 对高层建筑结构地震响应的认识 247 7.2.1 高层建筑结构的主要类型 247 7.2.2 高层建筑结构的地震响应问题 247 7.3 高层建筑结构的线性地震响应 249 7.3.1 高层建筑结构的简化力学模型 249 7.3.2 地震动的加速度功率谱密度 254 7.3.3 随机地震响应分析 255 7.4 高层建筑结构的非线性地震响应与整体可靠性 258 7.4.1 非线性结构响应精细化分析的力学基础 258 7.4.2 随机动力系统的概率密度演化 264 7.4.3 非线性随机地震响应与结构整体可靠性 267 7.5 问题与展望 270 思考题 270 拓展阅读文献 271 第三篇 固体力学篇 第8章 装备结构的轻量化设计 275 8.1 研究背景 275 8.2 对结构轻量化设计的认识 277 8.2.1 轻量化设计的表述 277 8.2.2 材料的选择 278 8.2.3 材料与形状组合的选择 279 8.3 轻质结构的力学设计 282 8.3.1 舰船升降跳板及其力学模型 282 8.3.2 轻质夹层结构的刚度设计 283 8.3.3 轻质夹层结构的强度设计 287 8.3.4 结构轻量化设计的流程 291 8.4 轻巧承力功能一体超结构研究 292 8.4.1 轻巧承力散热超结构 293 8.4.2 轻巧承力可重构超结构 294 8.4.3 轻巧承力吸能一体超结构 294 8.4.4 轻巧承力吸能 降噪一体超结构 296 8.4.5 轻巧承力吸能一体*面超结构 297 8.4.6 轻巧承力吸能含液多孔超结构 298 8.5 问题与展望 299 思考题 300 拓展阅读文献 300 第9章 大推力火箭发动机的主传力结构设计 302 9.1 研究背景 302 9.2 对主传力结构优化设计的认识 303 9.2.1 结构设计需求分析 303 9.2.2 设计目标与约束条件 304 9.2.3 优化设计问题的表述 305 9.2.4 结构优化概述 305 9.3 空间桁架型主传力结构的优化设计 306 9.3.1 基结构法与等应力准则 306 9.3.2 主传力结构的优化设计案例 309 9.4 连续体型主传力结构的优化设计 314 9.4.1 连续体拓扑优化方法简介 315 9.4.2 主传力结构的优化设计案例 319 9.4.3 拓扑优化结果的几何重建 320 9.4.4 拓扑优化结果的校核 320 9.4.5 关于优化设计效能的讨论 322 9.5 问题与展望 322 思考题 323 拓展阅读文献 324 第10章 基于高温复合材料的空天结构设计 325 10.1 研究背景 325 10.2 对高温复合材料结构力学设计的认识 327 10.2.1 高温复合材料结构力学设计的载荷约束 327 10.2.2 高温复合材料结构力学设计面临的挑战 328 10.2.3 高温复合材料结构力学设计思路 329 10.3 高温复合材料结构力学设计方法 331 10.3.1 材料的微结构设计 332 10.3.2 材料高温力学性能与行为实验表征 333 10.3.3 材料本构关系和断裂强度理论 335 10.3.4 结构功能一体化设计 340 10.3.5 结构高温强度定量评价 342 10.4 工程实践 火箭用发动机喷管结构力学设计与评价 345 10.4.1 喷管结构的服役工况与边界条件 345 10.4.2 喷管结构的承载／防隔热一体化设计 346 10.4.3 发动机喷管考核验证 348 10.5 问题与展望 349 思考题 350 拓展阅读文献 350 第11章 柔性电子器件的结构力学设计 352 11.1 研究背景 352 11.2 对电子器件结构柔性化的认识 353 11.2.1 可弯*结构 354 11.2.2 可延伸结构 354 11.3 结构柔性化设计 355 11.3.1 波浪结构 355 11.3.2 岛桥结构 362 11.3.3 三维可延伸柔性结构 366 11.3.4 柔性基体结构设计 370 11.4 问题与展望 375 思考题 376 拓展阅读文献 377 第四篇 流体力学篇 第12章 风力发电机叶片的气动设计 381 12.1 研究背景 381 12.2 对风力机叶片设计的认识 383 12.2.1 叶片设计的前提 383 12.2.2 叶片汲取风能的简化分析 384 12.2.3 叶片设计思路 386 12.3 风力机叶片的气动设计方法 389 12.3.1 几何特性描述 389 12.3.2 气动特性描述 390 12.3.3 叶素动量理论 392 12.3.4 气动弹性分析 396 12.3.5 气动设计流程 399 12.4 风力机叶片设计的工程实践 400 12.4.1 翼型族选取 400 12.4.2 气动外形设计 401 12.4.3 结构性能设计 402 12.4.4 气动弹性考核 403 12.5 问题与展望 405 思考题 405 拓展阅读文献 406 第13章 武器战斗部的聚能射流效应设计 407 13.1 研究背景 407 13.2 对聚能射流效应的认识 408 13.2 |
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| **篇 基本方法篇 第1章 工程研究的系统思维 工程研究的系统思维工程是指人类为改善自身的生存、生活、工作条件，根据对自然的认识而进行的造物活动，是物化劳动过程。这样的物化劳动过程是人类能动性*重要、*基本的表现方式之一，是人类赖以生存和发展的基础，推动着人类的文明和进步。 本章主要介绍如何基于系统思维来研究工程问题，为研究工程中的力学问题奠定思想基础。为此，本章将阐述科学、技术、工程之间的关系，并在此基础上讨论工程科学、系统科学、工程系统、系统工程等问题。本章的主要内容可纳入21世纪以来我国学者所建立的工程哲学框架，隶属于该框架下的工程方法论殷瑞珏，李伯聪，汪应洛，等.工程方法论［M］.北京：高等教育出版社，2017.。 1.1 科学、技术、工程 本节基于工程哲学的观点，将科学、技术、工程界定为三种不同类型的人类活动，指出其基本特征；再阐述这三种活动之间的关系，尤其是工程科学。 1.1.1 科学、技术、工程的界定 1.科学 科学是以发现为核心的活动，其主体是科学家；其成果是经过实证的知识，通常以论著形式发表，是全人类的共同财富；科学成果旨在获得新知识，其价值取向通常是中立的。 在汉语中，科学是指经过实验验证的有序知识体系，包含形式科学（数学、逻辑学等）、自然科学（物理、化学、生物学、天文学、地球科学等）、应用科学（技术科学、工程科学、医学等）、社会科学（经济学、法学、教育学、管理学等）。本书主要关注技术科学和工程科学，涉及形式科学和自然科学，基本不涉及社会科学。 2.技术 技术是以发明为核心的活动，其主体是发明家、工程师、技师和工人等；其成果是发明、专利、技术诀窍等知识，通常在一定时间内是“非公有知识”，受到专利保护；技术成果旨在体现可能性、创新性、先进性，具有一定的价值导向。 在汉语中，技术指在利用和改造自然的过程中，积累起来的知识、经验、技巧和手段的总和。因此，技术既包括与科学、工程相关的发明活动，还包括诸如绘画技术、滑雪技术、烹饪技术等技能。本书主要关注前一类发明活动，不涉及后一类技能。 3.工程 工程是以建造为核心的活动，其主体是企业家、工程师、工人等；其成果是物质产品、物质设施，通常是物质财富；工程成果旨在满足社会需求，具有强烈的价值导向。 在汉语中，工程一词已被泛化用于众多领域，包括政府部门主导和实施的工作计划，如“希望工程”和“985工程”。本书主要关注以建造为核心的工程，不涉及泛化的工程。 在图1.1.1中，当科学和技术沿着单箭头相互靠近并产生重叠时，可将重叠部分理解为技术科学，图1.1.1科学、技术、工程的关系即涉及技术发明和进步等活动的科学知识；当科学和工程沿单箭头彼此靠近并产生重叠时，可将重叠部分理解为工程科学，即涉及工程建造、运行和维护等活动的科学知识。当然，这是狭义的技术科学和工程科学。若从广义来看，不论是技术科学，还是工程科学，均包括与人文和社会科学的交叉部分。例如，建筑设计学涉及美学、设计艺术学，城市规划学涉及经济学、社会学等。本书关注狭义的技术科学和工程科学。 1.1.2 科学技术工程的三元论 在工程哲学中，将科学、技术、工程界定为三种不同类型的人类活动，各自具有鲜明特征，而彼此有显著差异，故视为三个不同的元。所谓三元论，就是强调科学、技术、工程之间的联系，重视三者的对立统一、相互转化关系。现以航空工程的诞生为例，说明科学、技术、工程的关系。 图1.1.2Cayley在银制圆盘上刻下的固定翼飞机设想例1.1.11799年，英国科学家凯莱（Sir George Cayley， 1773～1857）摒弃前人模仿鸟类飞行来研究扑翼飞机的思路，提出图1.1.2所示的固定翼飞机设想。他认为，当固定翼与飞行方向具有攻角（即迎角）时可产生升力，深入研究了机翼攻角和升力之间的关系，并于1809～1810年发表了人类历史上*早的空气动力学论文。Cayley的研究是旨在认识升力规律的科学活动，其成果为后人发明飞机奠定了科学基础。 1903年，美国发明家莱特兄弟（Wilbur Wright， 1867～1912；Orville Wright，1871～1948）基于Cayley等科学家提出的升力、推力、稳定性概念和理论，研制出图1.1.3所示的人类历史上**架有动力飞机，实现了飞行时间12s、飞行距离37m。这是旨在证明载人飞行可行性的技术发明，其成果引起科学家、发明家、企业家的普遍关注，为促进飞机成为工业产品奠定了重要的技术基础。 1912年，荷兰飞机设计师福克（Anthony Fokker，1890～1939）在德国创建Fokker飞机制造公司，陆续解决了材料与结构、机枪射击与螺旋桨转动同步等工程问题，大规模生产出图1.1.4所示的**代战斗机，使该公司成为**次世界大战期间全球*大的航空企业。这是以军事价值为导向的工程活动，为人类建立航空工业探索出一条成功道路。 图1.1.3 Wright兄弟研制的**架有动力飞机 图1.1.4 Fokker Dr.1战斗机 在上述航空工程的诞生过程中，科学、技术、工程的性质具有明显差异，但彼此相互关联，即科学转化为技术，技术转化为工程，具有统一性。例如，Cayley的科学研究并非完全出于对升力问题的好奇心驱动，而是以实现载人飞行为目的；Wright兄弟的技术发明虽然出于兴趣并且公开展示，但他们取得成功后立即将各种数据保密，以谋求将成果转化为工业产品。由于他们的研究具有明确价值取向，航空工程并非从科学探索、技术发明所自然衍生或派生而来。在工程哲学中，将这样的工程发展脉络归结为工程本体论殷瑞珏，李伯聪，汪应洛，等.工程哲学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2022：3763.。 自20世纪以来，科学、技术、工程之间的关系日益密切，相互依赖、相互推动，形成了图1.1.1中双向箭头所示的无*尾逻辑的循环栾恩杰.论工程在科技及经济社会发展中的创新驱动作用［J］.工程研究，2014，6：323331.。该循环具有两个方向，既可按科学技术工程方向循环，也可按工程技术科学方向循环。例如，上述航空工程的诞生是沿着图1.1.1中的逆时针循环路线。又如，顺时针循环则是由工程师提出新的技术需求，而新技术吸引科学家创建新的理论。 值得指出的是，许多学者并不严格区分技术和工程。例如，在很多西方国家，将技术科学和工程科学统称为工程科学。又如，许多西方学者讨论技术问题时，所列举的实例大多是工程项目。将技术和工程合二为一的原因有多种。例如，部分西方国家率先进入工业化，而当时的工程活动相对比较简单，大多基于单项技术，故这些国家的许多学者不严格区分技术和工程。 纵观现代工程，其规模越来越大，复杂程度越来越高，技术往往只是工程的基础或单元，而工程则是众多技术的集成。此时，技术和工程之间具有显著区别。通常，技术为工程设计和实施提供了可行性及其前提，而工程设计和实施则需根据总体目标和各种约束来合理选用技术。在工程实践中，人们常基于经济性、技术成熟度等考虑，放弃选用某些“*先进”或“*高级”的技术，而谋求多约束条件下的*优。 本小节阐述科学、技术、工程的差异和联系，试图帮助读者理解科学家、发明家、工程师的职业特点，有助于理解为何许多科学发现、技术发明会束之高阁，有助于理解为何众多工程师乐于采用传统技术。因此，科学家需要向公众普及科学，发明家要努力提高新技术的成熟度和经济性，而工程师要引导新技术朝着适用于工程的方向发展。本书的撰写目的之一，就是引导读者深刻理解科学发现、技术创新与工程实践的关系，投身解决彼此之间衔接不畅的关键力学问题。 1.1.3 颠覆性技术 1995年，美国学者克里斯坦森（Clayton M.Christensen，1952～2020）*次提出颠覆性技术概念，将其定义为以意想不到的方式取代现有主流技术的新技术。具体地说，颠覆性技术是颠覆人类已有认知的新技术，可对某个应用领域产生颠覆性效果，产生归零效应，建立新体系和新秩序。换言之，颠覆性技术不仅要新颖，更要有奇效。 在民用领域，颠覆性技术通常超越现有技术，具有更好的性能、更新的功能、更低的价格，进而建立全新的市场。例如，21世纪初，数码相机快速发展，大范围替代了图1.1.5（a）所示的胶卷相机，导致胶卷相机行业的龙头企业——柯达公司惨遭淘汰。 1.1.5 已被颠覆的传统技术 |
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