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拉脹材料與結構 版權信息
- ISBN:9787030692955
- 條形碼:9787030692955 ; 978-7-03-069295-5
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
拉脹材料與結構 內容簡介
本書旨在為讀者介紹拉脹材料的近期新進展及依其特殊力學行為的各種潛在應用。首先介紹了拉脹材料的發展歷程和近期新進展為序幕,繼而細述了各種拉脹材料的微觀力學模型表征方法,預測了拉脹材料的力學行為。第3章討論了拉脹固體的彈性行為,第4章介紹了應力集中、斷裂、破壞和疲勞等;第5章主要介紹其接觸力學和壓痕韌性;6-8章涵蓋了拉脹梁、柱、盤、球體、平板以及殼;第9章關心拉脹固體的熱應力。10-14章關注于彈性能力、振動,以及傳播、傳遞以及彈性波的反射。15章主要介紹了拉脹結構的剪切變形。16章和17章分別簡要介紹了關拉脹固體和拉脹式復合材料。展示了近期新的研究成果。
拉脹材料與結構 目錄
譯者序
原書前言
第1章 緒論 1
1.1 泊松比的定義 1
1.2 泊松比的歷史 2
1.3 拉脹材料的定義 2
1.4 負泊松比研究的歷史 4
1.5 天然的拉脹材料 6
1.6 拉脹泡沫材料 6
1.7 拉脹紗線和紡織品 29
1.8 拉脹液晶高分子聚合物 31
1.9 其他類型 31
參考文獻 32
第2章 拉脹固體的微結構力學模型 37
2.1 引言 37
2.2 內凹開孔微結構 37
2.3 結節-纖維微結構——纖維的鉸線、彎曲及拉伸模式 40
2.4 廣義的三維繩結模型 48
2.5 旋轉正方形和矩形模型 52
2.6 旋轉三角形模型 63
2.7 四面體框架結構 64
2.8 硬環六聚體模型 68
2.9 棱筋缺失模型 69
2.10 手性和反手性格柵模型 76
2.11 聯鎖六邊形模型 85
2.12 蛋架結構 88
參考文獻 89
第3章 拉脹固體的彈性行為 93
3.1 本構關系 93
3.2 各向同性固體的泊松比界限 99
3.3 各向同性固體的本構關系 102
3.4 模量關系 104
3.5 拉脹泡沫密度-模量關系 107
3.6 拉脹固體的彈性大變形 110
3.7 各向異性拉脹固體 112
3.8 拉脹固體的彈塑性 126
3.9 拉脹固體的黏彈性 127
參考文獻 128
第4章 拉脹材料的應力集中、斷裂和破壞 131
4.1 引言 131
4.2 帶孔洞拉脹固體的應力集中 131
4.3 帶剛性夾雜拉脹固體的應力集中 133
4.4 拉脹固體平板的應力集中 134
4.5 拉脹圓桿的應力集中 136
4.6 拉脹固體的斷裂特征 138
4.7 拉脹固體切口周圍的應力和位移場 140
4.8 模式I的無量綱位移場 143
4.9 模式II的無量綱位移場 145
4.10 模式III的無量綱位移場 147
4.11 拉脹固體的破壞 148
4.12 拉脹固體的疲勞 149
參考文獻 149
第5章 拉脹材料的接觸和壓痕力學 152
5.1 引言 152
5.2 拉脹材料的線接觸 152
5.3 拉脹材料的點接觸 160
5.4 壓頭形狀對拉脹材料的影響 166
5.5 拉脹球之間的接觸 170
5.6 拉脹復合材料的接觸變形 174
5.7 拉脹泡沫的壓痕 176
參考文獻 177
第6章 拉脹梁 179
6.1 拉脹梁的拉伸 179
6.2 圓形截面拉脹懸臂梁的彎曲 180
6.3 矩形截面拉脹懸臂梁的彎曲 182
6.4 窄矩形截面拉脹懸臂梁的彎曲 183
6.5 寬矩形截面拉脹懸臂梁的彎曲 184
6.6 規則矩形截面拉脹懸臂梁的彎曲 184
6.7 承受均布載荷的窄矩形截面拉脹梁 187
6.8 拉脹桿的扭轉 188
6.9 關于圓形截面拉脹梁的說明 190
參考文獻 191
第7章 極坐標和球坐標表示的拉脹固體 192
7.1 引言 192
7.2 厚壁拉脹圓柱筒 192
7.3 旋轉的薄拉脹圓盤 195
7.4 旋轉的厚拉脹圓盤 198
7.5 厚壁拉脹殼 200
參考文獻 203
第8章 拉脹薄板與薄殼 204
8.1 引言 204
8.2 拉脹板的彎曲剛度 204
8.3 拉脹圓板 212
8.4 矩形拉脹板 228
8.5 拉脹基礎上的拉脹板 243
8.6 受約束拉脹平板的面內壓縮 250
8.7 拉脹球殼 254
附錄 A 258
附錄 B 258
參考文獻 259
第9章 拉脹固體的熱應力 260
9.1 引言 260
9.2 拉脹固體的一般熱彈性 260
9.3 全幾何約束三維拉脹材料的熱彈性 265
9.4 溫度沿厚度方向變化的板的熱彈性 265
9.5 溫度沿厚度方向變化的梁的熱彈性 267
9.6 拉脹板和殼的無量綱熱應力 268
9.7 拉脹板和殼的熱應力 273
9.8 拉脹板和殼的熱應力的總結 281
9.9 多內凹蜂窩結構的熱導率 282
參考文獻 284
第10章 拉脹固體的彈性穩定性 285
10.1 引言 285
10.2 拉脹柱的屈曲 285
10.3 拉脹矩形平板的屈曲 287
10.4 拉脹圓板的屈曲 290
10.5 拉脹圓柱殼的屈曲 294
10.6 拉脹球殼的屈曲 297
10.7 拉脹材料和結構失穩的*新進展 299
參考文獻 304
第11章 拉脹固體的振動 306
11.1 引言 306
11.2 拉脹圓板的振動 306
11.3 拉脹矩形板的振動 312
11.4 拉脹圓柱殼的振動 317
11.5 拉脹球殼的振動 320
11.6 拉脹固體與結構的振動和聲學前沿主題 321
參考文獻 322
第12章 拉脹固體中的波傳播 325
12.1 引言 325
12.2 拉脹棱柱桿內的縱波 326
12.3 拉脹固體中的膨脹平面波 328
12.4 拉脹固體中的畸形平面波 329
12.5 拉脹固體中的瑞利波 330
12.6 波速的無量綱化 332
12.7 拉脹固體波動研究進展 336
參考文獻 338
第13章 拉脹固體中的波透射和波反射 341
13.1 引言 341
13.2 分析 342
13.3 縱波 (一維應力狀態或三維應變狀態) 344
13.4 縱波 (寬度方向約束的平板) 345
13.5 膨脹平面波 (一維應變或三維應力狀態) 345
13.6 扭轉波 346
13.7 瑞利波 346
13.8 透射應力和反射應力的無量綱化 347
13.9 縱波中的無量綱透射應力 (一維應力狀態) 350
13.10 縱波中的無量綱透射應力 (寬度方向約束的平板) 351
13.11 膨脹平面波中的無量綱透射應力 353
13.12 扭轉波中的無量綱透射應力 355
13.13 瑞利波中的無量綱透射應力 356
13.14 拉脹固體的應力波透射總結 359
參考文獻 359
第14章 拉脹固體中的縱波 361
14.1 引言 361
14.2 基本分析概述 363
14.3 密度修正 363
14.4 橫向慣性 364
14.5 密度修正和橫向慣性 366
14.6 類似于膨脹平面波 371
14.7 拉脹Love桿的橫向慣性 373
14.8 拉脹Love桿的橫向慣性和密度修正 375
參考文獻 377
第15章 拉脹固體的剪切變形 378
15.1 引言 378
15.2 側向加載的拉脹厚梁 378
15.3 -1≤ν≤0.5范圍內各向同性板的剪切修正系數 386
15.4 側向加載的拉脹厚圓板 389
15.5 側向加載的拉脹多邊形厚板 394
15.6 側向加載的拉脹矩形厚板 395
15.7 拉脹厚柱管的屈曲 402
15.8 拉脹厚板的屈曲 405
15.9 拉脹厚板的振動 412
參考文獻 416
第16章 簡單半拉脹固體 419
16.1 引言 419
16.2 方向性半拉脹固體的彈性屬性 419
16.3 基于旋轉的半拉脹性運動學研究 425
16.4 半拉脹紗線分析 432
16.5 半拉脹紗線的加工 438
16.6 功能梯度半拉脹梁 442
16.7 半拉脹桿 446
16.8 半拉脹夾芯板 452
16.9 半拉脹夾芯結構的混合拉脹性 458
參考文獻 467
第17章 半拉脹層合板和拉脹復合材料 469
17.1 引言 469
17.2 半拉脹單向纖維復合材料 469
17.3 半拉脹層合板的面外模量 472
17.4 半拉脹層合板的面內模量 478
17.5 半拉脹層合板的進一步反直觀模量 484
17.6 半拉脹層合板面內和面外模量的比較 490
17.7 半拉脹和交替正負熱膨脹層合板 491
17.8 拉脹復合材料 500
參考文獻 509
拉脹材料與結構 節選
第1章 緒論 摘要:拉脹材料是一種具有負泊松比屬性的固體。本章主要介紹泊松比的定義和它的發展歷程;隨后介紹拉脹材料的定義和它的發展過程,包括天然生成的和人造的拉脹材料,前者主要涉及α-方石英,而后者主要是泡沫和紗線。 關鍵詞:定義;歷程;概覽;泊松比;工藝方法 1.1 泊松比的定義 眾所周知且顯而易見,當材料在一個方向延展時,材料在垂直于加載方向的橫向將收縮,如圖1.1.1(a)所示。于是,當載荷由拉伸轉變為壓縮時,材料在橫向將會膨脹,如圖1.1.1(b)所示。 圖1.1.1 具有正泊松比效應的二維變形示意圖 泊松比ν被定義為 (1.1.1) 其中,εLoad為加載方向的應變,而εTrans是垂直于該方向(或橫向)的應變。既然它如此常見,而且很直觀,εLoad和εTrans具有相反的符號,即比值εTrans/εLoad為負,所以在式(1.1.1)中引述一個負號,從而使其泊松比結果為正值。 1.2 泊松比的歷史 對拉伸效應及由其導致的側向收縮效應的早期觀察始于Young(1807)的一次關于“自然哲學和力學藝術”的講座。根據分子相互作用原理,Poisson(1827)從理論上推導出泊松比為一常數(ν=1/4),并采用Cagniard de la Tour(譯者注:著名法國科學家)的方法間接測得了黃銅桿的泊松比為ν=0.357,間接支持了他所得到的結論。Wertheim(1848)運用Cagniard de la Tour 的方法,測定了黃銅和玻璃的泊松比均為ν=1/3。通過測量楊氏模量和剪切模量,Kirchhoff(1859)采用式(3.4.1)獲得了多種金屬的泊松比。這些及后來對泊松比的測量,奠定了實驗的基礎,確定了泊松比不是一個常數,而是隨著材質的變化而變化。在理論方面,Cauchy(1828)的研究亦證明了需采用兩個獨立的楊氏模量來表征各向同性固體的彈性行為,從而暗示了不同物質的泊松比必然不同。 1.3 拉脹材料的定義 拉脹材料可定義為具有負泊松比屬性的固體。當拉脹材料沿一個方向受拉時,其橫向將膨脹,如圖1.3.1(a)所示。可以推知,如果載荷由拉伸變為壓縮,其橫向將收縮,如圖1.3.1(b)所示。圖1.3.2描繪了一些高度理想化的微觀結構的幾何圖形示例,展現了二維拉脹行為。和其他幾何圖形一樣,在這些例子中,出現了一些旋轉的拉脹行為。 圖1.3.1 具有負泊松比效應的二維變形示意圖 圖1.3.2 一些高度理想化的具有拉脹行為的幾何圖形 1.1節和本節分別定義了泊松比和拉脹材料,現分別討論各向同性固體泊松比的5個標志性含義,如表1.3.1所示。 表1.3.1 固體泊松比的5個標志性含義 *常見的是保留體積,也稱為不可壓縮性,是在ν=0.5時。當固體的泊松比ν=0時,施加在軸向的載荷既不引起橫截面面積改變,亦不會導致加載方向正交截面形狀變化,所以稱為“保留橫截面”。對各向同性固體,如式(3.4.1),將ν=0.5代入得E=G,從而產生了“保留模量”的說法,其中E為楊氏模量,G為剪切模量,它們是兩種*常用的工程模量。當時,在一個方向必然產生的應變將同時導致等量的橫向應變,引起膨脹變形,從而“保留形狀”。在二維變形情況下,泊松比的上限為1,這意味著一個方向的拉伸會導致在同一平面內(以此平面計算泊松比)的垂向方向產生等量的反向應變,從而意味著該面積被保留。 1.4 負泊松比研究的歷史 通過重述Cauchy關系式,Saint-Venant(1848)似乎是**個提出在各向異性固體中泊松比可能為負值的科學家,而后Greaves認為泊松比可能大于1/2(Greaves,2013)。Fung基于彈性力學的數學理論,將熱力學約束施加于彈性固體本構關系中,發現各向同性固體的泊松比極限為(Fung,1965)。此后,Landau和Lifshitz(1970)在一個腳注中評論道,這一泊松比范圍僅出現在實際工程中,不是熱動力學所必要的,這也謹慎地暗示了固體的泊松比表現出負值的可能性。負泊松比已在硫化鐵礦(Love,1927)、單晶體(Voigt,1910;Hearmon,1946;Simmons and Wang,1971)、鐵磁薄膜(Popereka and Balagurov,1969)、生物組織(Veronda and Westmann,1970)及FCC(facecentered cubic)晶體(Milstein and Huang,1979)的實驗中觀測到。20世紀80年代,負泊松比材料復蘇,關于此方面的結論進一步通過實驗測量和計算模擬得到證實。這些研究包括α-方石英(Kittinger et al.,1981)、內凹六邊形蜂窩(Gibson et al.,1982)、三維各向同性的桿–鉸–彈簧結構(Almgren,1985,彈簧用以維持結構形狀,即二維格柵中的六邊形分子(Wojciechowski,1987,1989;Wojchiechowski and Branka,1989),以及多孔材料(Lakes,1987a,b;Caddock and Evans,1989;Evans and Caddock,1989)。同時,還包括 Jari.和Mohanty(1987a,b)及Frenkel和Ladd(1987)對FCC晶體是否具有負泊松比的爭論——兩個研究小組均只考慮[100]方向。 “拉脹”一詞首先由Evans(1991)引入,用來指代負泊松比。它起源于希臘單詞auxetikos(從譯來),寓意為“趨向于增加”,而該單詞又是基于希臘詞語 auxesis(從.譯來)中一個取義為“增加”的名詞。面內負泊松比在復合材料層合板中也有報道(Tsai and Hahn,1980),而層合板自由邊的平均全厚度負泊松比也得到了測量(Bjeletich et al.,1979)。Herakovich(1984)將二維分層理論和三維各向異性本構方程耦合,獲得了薄層合板的全厚度泊松比,其中一些鋪層的泊松比表現為負值。Sun和Li(1988)采用三維等效彈性常數展示了厚層合板在一定方向上的負泊松比。表1.4.1列出了關于拉脹材料研究的部分年表及事項。 表1.4.1 關于拉脹材料發展歷程的簡要年表 關于拉脹材料,已發表了一系列綜述性論文,主要包括但不限于:Lakes(1993)、Alderson(1999)、Yang等(2004)、Alderson和Alderson(2007)、Liu和Hu(2010)、Greaves等(2011)、Prawoto(2012)、Critchley等(2013a),Darja等(2013)的工作。自2004年至今,召開了一系列有關拉脹材料的專門的研討會和大型會議,2014年還召開了10周年紀念會議,具體如表1.4.2所示。除表1.4.2中所列會議外,還組織召開了圍繞拉脹材料的一些小型的專題研討會。 表1.4.2 關于拉脹材料的研討會/會議時間順序列表 1.5 天然的拉脹材料 對天然負泊松比材料的描述是Yeganeh-Haeri等在1992年給出的(Yeganeh-Haeri,1992),其形式為α-方石英(一種SiO2)。他們通過使用激光布里淵光譜獲得了α-方石英結構中二氧化硅(SiO2)的絕熱單晶硅彈性剛度系數,發現這種SiO2的多晶型物具有負的泊松比,與其他硅酸鹽和二氧化硅不同。通過張量分析,Yeganeh-Haeri等證實(Yeganeh-Haeri,1992),α-方石英的泊松比在某些方向上的*小值(或負*大值)可達到0.5,而其單相骨料的平均泊松比的計算值為0.16。 Keskar和Chelikowsky(1992)采用**性原理計算方法和經典原子間勢函數的方法研究了α-方石英和其他形式的硅的彈性屬性。在再現α-方石英負泊松比的基礎上,他們預測在較大單軸拉伸載荷作用下,α-石英(*常見的結晶二氧化硅)同樣會表現出負泊松比的性質。在低密度硅多晶型物上體現出來的負泊松比,主要歸功于其SiO4四面體的高剛性(Keskar and Chelikowsky,1992)。 1.6 拉脹泡沫材料 有些材料是天然的拉脹材料,有些則不是。例如泡沫材料,除非經過一些人為處理以賦予它們拉脹屬性,否則將表現為正的泊松比。Lakes(1987a)曾建議通過**性地向內鼓起每一個胞元的棱筋將常規泡沫轉化為拉脹泡沫,從而形成一個內凹結構。一個理想化的基于空間對稱多面體折疊的內凹周期單元如圖1.6.1所示。 圖1.6.1 理想化的內凹周期單元(背面棱筋未清晰顯示) 拉脹泡沫可以通過將一片常規泡沫沿三個方向壓縮,然后放置于模具中并加熱至聚合泡沫材料軟化點溫度以上來生產制造。為了讓已變形的棱筋能符合新的
拉脹材料與結構 作者簡介
[新加坡]林德清(Teik-Cheng Lim),本科時獲得了新加坡國立大學工程系年度圖書獎,并獲得獎學金,之后繼續在新加坡國立大學攻讀博士學位。他取得博士學位后,在新加坡國立大學工作多年,后加入Singapore Institute of Management(UniSIM)。他目前是UniSIM博士項目的負責人。
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