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、技術、工程 003
1.1.1 科學、技術、工程的界定 003
1.1.2 科學技術工程的三元論 004
1.1.3 顛覆性技術 006
1.1.4 工程科學觀 007
1.2 系統(tǒng)科學 009
1.2.1 系統(tǒng)與系統(tǒng)思維 009
1.2.2 系統(tǒng)科學及其特征 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 產品的模型體系 019
1.5.3 產品的研制流程 021
思考題 022
拓展閱讀文獻 022
第2章 工程力學的定性研究 024
2.1 因果分析 024
2.1.1 因果關系 024
2.1.2 相關關系 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 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 對稱性分析 043
2.4.1 鏡像對稱系統(tǒng) 044
2.4.2 循環(huán)對稱系統(tǒng) 050
2.4.3 對稱性破缺 055
思考題 056
拓展閱讀文獻 057
第3章 工程力學的機理研究 058
3.1 穩(wěn)定性分析 058
3.1.1 靜態(tài)穩(wěn)定性 058
3.1.2 動態(tài)穩(wěn)定性 066
3.1.3 流動穩(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 計算和分析方法 087
3.2.4 典型現(xiàn)象及其機理 092
3.3 多尺度分析 097
3.3.1 空間多尺度問題 098
3.3.2 時間多尺度問題 106
3.3.3 時空多尺度問題 109
3.4 耦合分析 110
3.4.1 耦合的簡化 110
3.4.2 剛柔耦合問題 112
3.4.3 流固耦合問題 115
3.4.4 力熱耦合問題 122
3.4.5 力電耦合問題 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 隨機過程與隨機場 143
3.6.3 隨機激勵下的系統(tǒng)響應 146
3.6.4 含不確定參數(shù)的系統(tǒng)響應 149
思考題 153
拓展閱讀文獻 154
第4章 工程力學的數(shù)據研究 155
4.1 數(shù)據采集 155
4.1.1 Nyquist采樣 156
4.1.2 壓縮感知 157
4.2 數(shù)據分析 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)據驅動建模 174
4.3.1 線性回歸模型 175
4.3.2 神經網絡模型 178
4.3.3 嵌入知識建模 183
思考題 188
拓展閱讀文獻 188
第二篇 動力學篇
第5章 “嫦娥二號”拓展任務的飛行軌道設計 193
5.1 研究背景 193
5.2 對飛往日地Lagrange點的認識 194
5.2.1 簡化模型 194
5.2.2 Lagrange點及其附近的軌道 196
5.3 從繞月軌道至日地L2點的轉移軌道設計 200
5.3.1 低能耗軌道轉移的可行性 201
5.3.2 低能耗轉移軌道設計 202
5.3.3 任務實施效果 205
5.4 再次拓展任務分析 206
5.4.1 行星際飛行任務及其約束 206
5.4.2 行星際飛行任務的探測目標選擇 207
5.4.3 飛越探測近地小行星的目標選擇 208
5.5 飛越探測小行星的軌道設計 211
5.5.1 轉移軌道設計 211
5.5.2 任務實施效果 213
5.6 問題與展望 214
思考題 216
拓展閱讀文獻 217
第6章 高速鐵路的動力學選線設計 218
6.1 研究背景 218
6.1.1 傳統(tǒng)鐵路選線設計 218
6.1.2 現(xiàn)代鐵路動力學選線設計理念 219
6.2 對車輛 軌道耦合動力學的認識 220
6.2.1 車輛軌道耦合動力學模型 221
6.2.2 車輛軌道耦合動力學數(shù)值仿真 229
6.2.3 車輛軌道耦合動力學案例 231
6.3 高速鐵路線路平縱斷面優(yōu)化設計方法 233
6.3.1 列車與線路動態(tài)性能最佳匹配設計原理 233
6.3.2 線路平縱斷面動態(tài)優(yōu)化設計方法 234
6.4 高速鐵路動力學選線設計應用實踐 235
6.4.1 廣深港高速鐵路選線設計 236
6.4.2 京滬高速鐵路選線設計優(yōu)化 240
6.5 問題與展望 243
思考題 243
拓展閱讀文獻 244
第7章 高層建筑結構的抗震整體可靠性分析 245
7.1 研究背景 245
7.2 對高層建筑結構地震響應的認識 247
7.2.1 高層建筑結構的主要類型 247
7.2.2 高層建筑結構的地震響應問題 247
7.3 高層建筑結構的線性地震響應 249
7.3.1 高層建筑結構的簡化力學模型 249
7.3.2 地震動的加速度功率譜密度 254
7.3.3 隨機地震響應分析 255
7.4 高層建筑結構的非線性地震響應與整體可靠性 258
7.4.1 非線性結構響應精細化分析的力學基礎 258
7.4.2 隨機動力系統(tǒng)的概率密度演化 264
7.4.3 非線性隨機地震響應與結構整體可靠性 267
7.5 問題與展望 270
思考題 270
拓展閱讀文獻 271
第三篇 固體力學篇
第8章 裝備結構的輕量化設計 275
8.1 研究背景 275
8.2 對結構輕量化設計的認識 277
8.2.1 輕量化設計的表述 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 輕質結構的力學設計 282
8.3.1 艦船升降跳板及其力學模型 282
8.3.2 輕質夾層結構的剛度設計 283
8.3.3 輕質夾層結構的強度設計 287
8.3.4 結構輕量化設計的流程 291
8.4 輕巧承力功能一體超結構研究 292
8.4.1 輕巧承力散熱超結構 293
8.4.2 輕巧承力可重構超結構 294
8.4.3 輕巧承力吸能一體超結構 294
8.4.4 輕巧承力吸能 降噪一體超結構 296
8.4.5 輕巧承力吸能一體曲面超結構 297
8.4.6 輕巧承力吸能含液多孔超結構 298
8.5 問題與展望 299
思考題 300
拓展閱讀文獻 300
第9章 大推力火箭發(fā)動機的主傳力結構設計 302
9.1 研究背景 302
9.2 對主傳力結構優(yōu)化設計的認識 303
9.2.1 結構設計需求分析 303
9.2.2 設計目標與約束條件 304
9.2.3 優(yōu)化設計問題的表述 305
9.2.4 結構優(yōu)化概述 305
9.3 空間桁架型主傳力結構的優(yōu)化設計 306
9.3.1 基結構法與等應力準則 306
9.3.2 主傳力結構的優(yōu)化設計案例 309
9.4 連續(xù)體型主傳力結構的優(yōu)化設計 314
9.4.1 連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法簡介 315
9.4.2 主傳力結構的優(yōu)化設計案例 319
9.4.3 拓撲優(yōu)化結果的幾何重建 320
9.4.4 拓撲優(yōu)化結果的校核 320
9.4.5 關于優(yōu)化設計效能的討論 322
9.5 問題與展望 322
思考題 323
拓展閱讀文獻 324
第10章 基于高溫復合材料的空天結構設計 325
10.1 研究背景 325
10.2 對高溫復合材料結構力學設計的認識 327
10.2.1 高溫復合材料結構力學設計的載荷約束 327
10.2.2 高溫復合材料結構力學設計面臨的挑戰(zhàn) 328
10.2.3 高溫復合材料結構力學設計思路 329
10.3 高溫復合材料結構力學設計方法 331
10.3.1 材料的微結構設計 332
10.3.2 材料高溫力學性能與行為實驗表征 333
10.3.3 材料本構關系和斷裂強度理論 335
10.3.4 結構功能一體化設計 340
10.3.5 結構高溫強度定量評價 342
10.4 工程實踐 火箭用發(fā)動機噴管結構力學設計與評價 345
10.4.1 噴管結構的服役工況與邊界條件 345
10.4.2 噴管結構的承載／防隔熱一體化設計 346
10.4.3 發(fā)動機噴管考核驗證 348
10.5 問題與展望 349
思考題 350
拓展閱讀文獻 350
第11章 柔性電子器件的結構力學設計 352
11.1 研究背景 352
11.2 對電子器件結構柔性化的認識 353
11.2.1 可彎曲結構 354
11.2.2 可延伸結構 354
11.3 結構柔性化設計 355
11.3.1 波浪結構 355
11.3.2 島橋結構 362
11.3.3 三維可延伸柔性結構 366
11.3.4 柔性基體結構設計 370
11.4 問題與展望 375
思考題 376
拓展閱讀文獻 377
第四篇 流體力學篇
第12章 風力發(fā)電機葉片的氣動設計 381
12.1 研究背景 381
12.2 對風力機葉片設計的認識 383
12.2.1 葉片設計的前提 383
12.2.2 葉片汲取風能的簡化分析 384
12.2.3 葉片設計思路 386
12.3 風力機葉片的氣動設計方法 389
12.3.1 幾何特性描述 389
12.3.2 氣動特性描述 390
12.3.3 葉素動量理論 392
12.3.4 氣動彈性分析 396
12.3.5 氣動設計流程 399
12.4 風力機葉片設計的工程實踐 400
12.4.1 翼型族選取 400
12.4.2 氣動外形設計 401
12.4.3 結構性能設計 402
12.4.4 氣動彈性考核 403
12.5 問題與展望 405
思考題 405
拓展閱讀文獻 406
第13章 武器戰(zhàn)斗部的聚能射流效應設計 407
13.1 研究背景 407
13.2 對聚能射流效應的認識 408
13.2.1 聚能射流的基本概念 408
13.2.2 聚能射流的形成過程 410
13.2.3 聚能射流對靶板的破甲 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 聚能射流效應設計方法 418
13.4.1 炸藥及其裝藥設計 418
13.4.2 藥型罩設計 419
13.4.3 炸高設計 422
13.5 反坦克火箭彈的聚能射流戰(zhàn)斗部設計 423
13.5.1 理論設計 423
13.5.2 數(shù)值模擬和實驗驗證 425
13.6 問題與展望 426
思考題 427
拓展閱讀文獻 427
第14章 船舶螺旋槳的空泡流預報 428
14.1 研究背景 428
14.2 對螺旋槳空泡流的認識 430
14.2.1 空化的物理機制 430
14.2.2 空泡類型與關鍵動力因素 432
14.3 螺旋槳空泡流建模和分析 434
14.3.1 球泡動力學模型 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用 439
14.4.1 螺旋槳性能及水洞實驗 440
14.4.2 均勻流場的螺旋槳空泡預報 443
14.4.3 非均勻伴流場的螺旋槳空泡預報 444
14.5 螺旋槳的梢渦空泡噪聲預報 448
14.6 問題與展望 451
思考題 453
拓展閱讀文獻 454
第15章 高超聲速飛行的流動失穩(wěn)和轉捩預報 455
15.1 研究背景 455
15.2 對流動失穩(wěn)及轉捩的認識 457
15.2.1 失穩(wěn)模態(tài)與轉捩路徑 457
15.2.2 邊界層失穩(wěn)與轉捩的典型結果 459
15.3 流動穩(wěn)定性分析與案例 462
15.3.1 流動穩(wěn)定性分析概述 462
15.3.2 特征值問題的數(shù)值求解方法 464
15.3.3 絕熱平板附近流動的穩(wěn)定性 465
15.3.4 流動穩(wěn)定性的中性曲線 468
15.4 高超聲速邊界層流動轉捩的數(shù)值預報 469
15.4.1 湍流模式簡介 469
15.4.2 流動轉捩過程的間歇性 471
15.4.3 考慮擾動特征尺度的邊界層轉捩模式 471
15.4.4 轉捩模式的考核案例 473
15.4.5 x51A飛行器風洞模型的轉捩預報 475
15.5 問題與展望 477
思考題 478
拓展閱讀文獻 479