有限元分析丨质量点（上）

2024年开启的第一个新主题，好书推荐，希望在工作和学习方面对朋友们有所帮助。注：本系列文核心内容为原文摘抄，以及一丢丢个人读后感！感兴趣，购物平台瞧一瞧，不提供电子版。第1本：《结构是什么：Structures: Or Why Things Don’t Fall Down》作者: [英]J.E.戈登（J.E.Gordon）出版社: 中信出版社阅读资源：微 信读书豆瓣评分：8.2（526人评分）1 内容简介全书分为四部分，16章，实体书328页。★ 埃隆•马斯克14本推荐读物之一，“这是一本关于结构设计的非常好的入门书。”★ 畅销40余年经典著作，国内首次引进。★ 美亚分类榜前10。★ 业内资深工程师审校。★ 入选中学和大学教材，业内口碑高，专业人士必读经典书目。第一部分：弹性科学的前世今生从胡克定律（不完备性），到应力应变以及杨氏模量（可理解性），再到关于断裂的应变能（理论性）。第二部分：承张结构从压力容器到承张结构设计，到理解圆周应力、膜应力概念，再到船帆设计潜藏的原理。再从鸟身上的羽毛理解回弹性和断裂功，对汽车减震设计的启发。跨越机械、建筑、生物各领域背后潜藏的材料力学原理知识。剩下就是关于胶接、铆接、焊接理解。从事机械设计相关工作，强烈推荐看一下原文！（看这只拉虫子的小鸟都有趣。）第三部分：承压结构和承弯结构除了机械类专业学习材料力学，土木工程类专业也学，这部分内容更对土木专业胃口，我看的那比较快。三分之一原理、推力作用线这些我并没有用过，建筑风格设计背后潜藏原理解释比较细，比如截图中的哥特式教堂为何设计高耸人像。从服装设计写到剪切力，从机翼写到扭曲，可以说内容非常的常识化具像化。第四部分：结构与审美这部分内容多是作者个人心得领悟，全文值得细读！没有完美的设计，工程师的工作不过是实现产品性能的妥协性的成果。产品，是存在即合理的？理解设计，理解存在的合理性，才能真正超越既有结构，完成产品迭代，代谢经济成品，实现“最优化”。一定要全文细读！2 推荐原因2.1 “抽象的”与“具体的” 读书时材料力学这本课挂科率比较高，从事机械相关专业工程师来说，谈强度聊刚度（我一直认为对工程应用来说刚度设计更重要，在此书得到印证），是绕不开材料力学的！ 不论是刘鸿文版还是孙训方版，（铁木辛柯版结构力学据说比较好，但没读过）都是“抽象的”。 工作后，进行具体机械结构设计时，需要解决的是“具体的”的设计问题； 对抽象的材料力学的知识到具体结构设计是割裂的，这本书内容虽偏科普，但内容非常抗打！完全可以搭起连接“抽象的”和“具体的”这座看不见的桥！ 2.2 理解概念到理解设计书中第五章提到应变能这一概念，写起汽车减震悬架弹簧中的应变能。应变能在各种结构的强度和断裂现象中都扮演了很重要的角色！ 2.3 解释现象做设计理想状态是达到融会贯通的境界，对现象用物理知识解释是第一境界，用数学语言解释是第二境界，用“人能听得懂的”大白话则是第三境界了！第15章 金属疲劳这节内容中提到由于裂纹处达到临界格里菲斯裂纹长度时，外壳发生灾难性撕裂，机身像膨胀气球一样爆炸。裂纹多是发生于孔洞处，疲劳裂纹却难以察觉，于是作者在这节最后举了一个有趣的例子。原文摘抄： 如今，飞机机身被设计成可安全容纳约2英尺长的裂缝，有人会认为这么长的一条裂缝几乎不可能不被及时发现。然而，有一个故事是这样的：伦敦机场的两位清洁工在某天深夜，完成了对一架空客飞机机舱的清扫工作。她们关上舱门，走下舷梯，来到停机坪。“玛丽，你忘关洗手间的灯了。”“你是怎么知道的？”“你难道没看到从机身裂缝里透出来的光吗？”3 点亮时刻 对断裂理论我的认知是极其浅薄的，第五章有相关内容。 知识点1：回弹性定义：储存于结构中而不对其造成永久损伤的应变能值。在一定程度上，回弹性越好，结构越优越。 所有负载的弹性材质都或多或少包含一些应变能，这种潜在的应变能总是可用于“断裂”这个自毁过程。（这个自毁真的是用的妙极了！）换言之，存储的应变能或回弹性可被用来偿付能量的代价，以扩展出贯通并损坏结构的裂缝。知识点2：应变能 现代断裂力学对外力和应力的关注程度要低于应变能如何、为何、在何处及何时能转化为断裂能。新近理论得出的结论是，外力突变或负载稳定的结构是否发生拉伸断裂主要取决于以下三个因素：为了产生新裂缝必须付出的能量代价。有可能付出该代价的应变能值。结构中最严重的孔洞、裂缝或缺陷的尺寸与形状。 知识点3：韧性韧度即指破坏给定材料截面所需的能量值，现在常被称作断裂能或断裂功。这种特性同材料的抗拉强度存在很大的差异和区别，其中抗拉强度是指破坏固体所需的应力（不是能量）。材料的韧度或断裂功对于一个结构的实际强度有非常重大的影响，尤其是对大型结构而言。知识点4：1J/m2是多大？1J/m2的确是一个非常小的能量值。基于最简单的理论，存储于1千克肌腱中的应变能足以为2500平方米（超过半英亩）碎玻璃表面的生成“买单”，这充分说明了蛮牛冲进瓷器店的后果。正因如此，砖匠用他的瓦刀轻轻一敲就能利索地把砖块一分为二，而我们只要稍不小心就会磕破盘子或玻璃杯。对实用的韧性材料而言，断裂功常常介于103J/m2到106 J/m2之间。知识点5：断裂功与抗拉强度 这些材料是脆的，并不是因为它们的抗拉强度很低（它们破坏自身只需要很小的力），而是因为它们破坏自身只需要很小的能量。软金属的大断裂功主要归因于这些材料的可延展性。这意味着，当它们被拉伸时，其应力–应变曲线在较适中应力的作用下偏离了胡克定律，随后金属发生塑性形变，有点儿像橡皮泥。当这样的金属杆或金属片在拉伸作用下断裂时，材料在像糖浆或口香糖那样断裂之前就被拉开了；其断裂末端会逐渐变尖或呈锥状，这种断裂形式常被称作“颈缩”。知识点6：格里菲斯理论 不管怎么说，格里菲斯处理断裂问题时用的是能量，而非外力和应力，这不仅在当时是新颖的，而且在此后多年间对工程思考的氛围来说也相当陌生。从能量的观点来看，英格利斯的应力集中不过是一种将应变能转化为断裂能的机制（好似一条拉链），就好比电动机不过是一台将电能转化为机械功的机器，或者罐头刀不过是用肌肉能量切开罐头的器械。这些机制本不会起作用，除非其持续获得合适的能量供应。应力集中发挥了很好的作用，但若要持续将材料中的原子分开，则需要应变能来维持。如果应变能的供应枯竭，断裂过程就会终止。这一切最重要的后果是，即使裂缝尖端的局部应力非常高，远高于材料“公认”的抗拉强度，该结构仍然是安全的，只要没有长于临界长度Lg的裂缝或其他开口，它就不会断裂。一条安全裂缝的长度仅取决于断裂功与材料中存储的应变能的比值。换言之，它与“回弹性”成反比。一般说来，回弹性越强，材料能承受的裂缝长度就越短。这是鱼与熊掌不可兼得的又一个例子。4 小结 这本书是科普书，但内容一点都不浅，需要一点点去理解，工程应用中对某一概念理解出现问题，翻完材料力学依然一窍不通，可以找来这本书看看。 说人能听懂的话，是对作者的最低要求，但在专业学科领域，却鲜有人做到（工科类专业书籍那些读不顺的语句是作者文学素养不行？还是故意故弄玄虚？）。读这本书时想到日本出的那本《漫画材料力学》，从可读性角度看，做的很好，可惜依然停留在对教材理论的基本概念解释上，有生活场景的融入，却对结构设计理念的理解稍有欠缺。 不同阶段需求不同，对于初级学习者，《漫画材料力学》非常值得一看的！注：本系列文核心内容为原文摘抄，以及一丢丢个人读后感！感兴趣，购物平台瞧一瞧，不提供电子版。 来源：认真的假装VS假装的认真