【物理力學前沿】（上冊）

內容簡介

本書分卷Ⅰ和卷Ⅱ兩部，對我國物理力學的科學發展以及相關領域近十年做出的成績進行了簡要的介紹，由幾十位物理力學領域的專家撰寫。卷Ⅰ包括緒論和三個主題：第一篇複雜流體物理力學，第二篇固體介質和表界面物理力學，第三篇高壓物理力學。

作者介紹

周益春，現任西安電子科技大學教授

1981.09-1985.06湘潭大學物理系，理論物理專業，理學學士學位

1985.09-1988.04 國防科技大學應用物理系，應用光學專業，工學碩士學位

1990.10-1994.02中國科學院力學研究所，基礎力學專業，理學博士學位

1994.02-1994.06湘潭大學物理系，講師，

1994.07-1996.06湘潭大學物理系，副教授

1995年5月至1998年10月任湘潭大學研究生處處長。

1996年破格晉升為教授。

1997年被評為享受國務院政府特殊津貼的專家和湖南省優秀中青年專家。

1998年被評為湖南省跨世紀學術帶頭人，同年3月,他還被中國科學院力學研究所破格評為博士生導師,成為該所建所以來的第一位青年博士生導師。當年10月,周益春出任湘潭大學基礎力學與材料工程研究所所長,"一般力學與力學基礎"專業博士點學位點負責人。

1998.03，被中國科學院力學研究所評為博士生導師

1998.10-2003.09湘潭大學基礎力學與材料工程研究所所長

1999年1月至2001年8月受日本東北大學院附屬破壞制御研究所所長莊子·哲雄教授和橋口俊之教授的邀請在該校工學部作訪問教授。

2002年獲國家教育部跨世紀人才基金。

2002年6月-2005年3月，任湘潭大學材料與光電物理學院院長。

2003年11月被評為湖南省"芙蓉學者獎勵計劃"特聘教授。

2005年獲國家傑出青年基金,他是湘潭大學建校以來的第一個，也是2005年湖南省僅有的一位國家傑出。

2005年03月至2015年8月，湘潭大學副校長。

2003年11月至2015年8月，湘潭大學“低維材料及其應用技術教育部重點實驗室”主任。

2015年8月，任湘潭大學黨委副書記。

2016年12月-2019年6月，湘潭大學校長、黨委副書記。

2019年6月，任湘潭大學黨委副書記

目錄

序

第0章 緒論 1

參考文獻 14

第一篇 複雜流體物理力學

第1章 高超聲速非平衡流計算模擬研究進展 19

1.1 高超聲速非平衡流研究背景 19

1.1.1 高超聲速非平衡流概念 19

1.1.2 高超聲速非平衡流動研究需求 20

1.1.3 高超聲速非平衡流動模擬方法 22

1.2 高超聲速非平衡流輸運方程 26

1.2.1 廣義Boltzmann方程的半經典描述 26

1.2.2 基於Chapman-Enskog展開方法的宏觀輸運方程推導 29

1.2.3 高超聲速非平衡流宏觀輸運方程發展概況 32

1.3 DSMC方法研究進展 39

1.3.1 DSMC內能交換模型 39

1.3.2 化學模型 43

1.3.3 電離反應流動 51

1.3.4 高超聲速非平衡流DSMC模擬軟件 55

1.4 CFD方法研究進展 55

1.4.1 迎風數值通量函數 57

1.4.2 低耗散數值通量 58

1.4.3 隱式時間積分 61

1.4.4 測試算例——雙錐流動 63

1.4.5 態態模型流場的CFD方程簡化策略 66

1.4.6 高超聲速非平衡流CFD軟件 69

1.5 氣體與表面相互作用模型 73

1.5.1 DSMC方法的氣體與表面相互作用模型及其實現 75

1.5.2 CFD方法的氣體與表面相互作用模型及其實現 80

1.5.3 非平衡流有限速率表面化學模型 91

1.5.4 模擬表面化學的計算化學手段 98

1.6 結束語 100

參考文獻 100

第2章 以膠體模型體系研究奧斯特瓦爾德分步律的普適性 124

2.1 膠體粒子結晶過程中奧氏分步律的研究 126

2.2 膠體晶體經亞穩態的相變動力學 128

2.3 液態—亞穩態—穩態同時轉變的理論模型與奧氏分步律普適性 130

2.4 結束語和展望 134

參考文獻 135

第二篇 固體介質和表界面物理力學

第3章 多尺度物理力學 141

3.1 低維碳材料的力學性能與力電耦合 141

3.1.1 碳納米管的力學性能與力電耦合 141

3.1.2 石墨烯的力學性能與力電耦合 145

3.2 石墨烯與六方氮化硼表面和界面結構性能調控 148

3.2.1 石墨烯表面結構與性能調控 148

3.2.2 六方氮化硼表面與界面性能調控 151

3.3 納尺度受限空間內的分子輸運和相變 153

3.3.1 碳納米管一維通道內受限水鏈的輸運 153

3.3.2 平板間二維空間內受限水的相變 156

3.4 低維晶體電子結構的應變調控 160

3.4.1 低維晶體電子結構的均勻應變調控 160

3.4.2 二維晶體磁性的應變調控 163

參考文獻 164

第4章 界面基本力學問題的第一性原理計算研究 175

4.1 第一性原理密度泛函理論簡介 176

4.2 異相界面 180

4.2.1 界面強度 181

4.2.2 界面能和界面相圖 185

4.2.3 界面強度計算的應用實例 192

4.2.4 界面斷裂韌性 202

4.2.5 界面誘髮晶構轉變 208

4.3 晶界 213

4.3.1 晶界結構模型 214

4.3.2 bcc-Fe晶界 215

4.4 結束語 228

參考文獻 228

第5章 物理力學在鐵電薄膜及其存儲器當中的工程應用 236

5.1 鐵電存儲器的不可替代性 236

5.2 基於物理力學思想突破鐵電存儲器的瓶頸 238

5.3 鐵電薄膜及其存儲器的微結構設計 240

5.3.1 界面與應變在鐵電薄膜微結構設計當中的應用 240

5.3.2 摻雜在鐵電薄膜微結構設計當中的應用 252

5.4 微結構與宏觀電學性能之間的關聯 257

5.4.1 疇、畤壁與宏觀性能之間的關聯 257

5.4.2 缺陷與鐵電薄膜及存儲器失效之間的關聯 260

5.4.3 鐵電薄膜存儲器的“器件多變量耦合關係” 263

5.5 在復雜環境下的服役和失效機理 265

5.6 結束語 270

參考文獻 271

第三篇 高壓物理力學

第6章 基於同步輻射的X射線成像技術在靜高壓研究中的應用 283

6.1 X射線成像基本原理和技術 284

6.2 高壓下的研究應用 286

6.2.1 狀態方程測量 286

6.2.2 地幔中鐵的輸運 289

6.2.3 相變演化及動力學過程 292

6.2.4 其他應用 294

6.3 結束語和展望 295

參考文獻 295

第7章 磁驅動準等熵平面壓縮和超高速飛片發射實驗技術原理、裝置及應用 299

7.1 基本原理 300

7.2 磁壓加載準等熵壓縮實驗的數據處理方法 301

7.2.1 原位粒子速度近似方法 301

7.2.2 反向積分方法 303

7.3 磁驅動等熵壓縮和高速飛片的實驗裝置 305

7.4 磁驅動等熵壓縮實驗 308

7.4.1 金屬材料的等熵壓縮實驗 308

7.4.2 準等熵加載下材料動力學性能研究 311

7.4.3 磁驅動高速飛片和物態方程衝擊壓縮實驗 313

7.5 磁驅動加載技術和實驗的展望 316

參考文獻 317

第8章 爆轟加載材料和結構動力學行為精密物理機制辨識和建模 322

8.1 爆轟加載殼體膨脹剪切斷裂模擬的材料模型及計算方法 322

8.1.1“塑性峰”理論簡潔直觀，但掩蓋了多種物理機制接續演化的事實 322

8.1.2 數值模擬中的對稱條件設定，會輕易地屏蔽真實的物理主導機制 325

8.1.3 主導爆炸膨脹剪切行為的影響因素及材料性能庫存變化的影響角色 327

8.2 爆轟驅動飛層界面與內層狀態演化差異多尺度分析 328

8.3 滑移爆轟對碰區運動驅動參數和早期過程行為的精密診斷 331

參考文獻 334

第9章 極端條件下液體結構和物性的實驗研究進展 336

9.1 極端條件下液體研究 337

9.1.1 液體結構研究 337

9.1.2 液體密度測量 342

9.1.3 液體黏度測量 347

9.2 結束語 350

參考文獻 350

第10章 金屬材料在準等熵加載和衝擊加載下的強度 357

10.1 單軸應變加載下固體材料的屈服強度 358

10.1.1 單軸應變加載下的主軸應力、偏應力及平均應力 358

10.1.2 單軸應變加載下固體材料的剪切模量和屈服強度 361

10.2 準等熵加載的特點 364

10.2.1 沿著準等熵線的聲速 364

10.2.2 準等熵過程的應變及應變率 366

10.2.3 準等熵壓縮線對等熵線的偏離 368

10.2.4 準等熵壓縮狀態位於屈服面上 369

10.3 測量屈服強度的雙屈服面法 371

10.3.1 利用雙屈服面法測量準等熵壓縮下的屈服強度的原理 371

10.3.2 準等熵加載下的應力-應變路徑和偏應力 375

10.3.3 利用雙屈服面法測量衝擊壓縮下的屈服強度 378

10.3.4 衝擊壓縮狀態不一定在屈服面上 379

10.4 結束語 384

參考文獻 385

第11章 延性金屬動態拉伸斷裂的損傷演化研究 387

11.1 延性金屬動態拉伸斷裂的宏觀響應研究 388

11.1.1 應變率對延性金屬拉伸斷裂的影響 388

11.1.2 應力幅值對延性金屬拉伸斷裂的影響 389

11.1.3 應力持續時間對延性金屬拉伸斷裂的影響 390

11.1.4 材料微結構對延性金屬拉伸斷裂的影響 391

11.2 材料動態拉伸斷裂過程的損傷演化機理研究 392

11.2.1 損傷演化早期、中期，孔洞的形核和增長研究 392

11.2.2 損傷演化後期的孔洞聚集研究 393

11.3 材料動態拉伸斷裂的損傷演化物理模型 395

11.4 結束語 398

參考文獻 398

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【物理力學前沿】（下冊）

內容簡介

卷Ⅱ包括兩個主題：第四篇激光物理力學，第五篇空間環境效應物理力學。

目錄

序

第四篇 激光物理力學

第12章 高能光泵浦氣體激光器研究進展 407

12.1 半導體泵浦鹼金屬蒸氣激光器 409

12.1.1 DPAL基本原理 409

12.1.2 DPAL的發展歷程 412

12.1.3 類DPAL激光器 415

12.1.4 DPAL與物理力學 418

12.2 半導體泵浦納米氣體激光器 422

12.2.1 半導體納米氣體激光器概念的誕生和原理 422

12.2.2 半導體納米氣體激光器的模型分析 424

12.2.3 半導體納米氣體激光器的底層需求 425

12.3 總結 428

參考文獻 428

第13章 化學激光中的物理力學問題 433

13.1 化學激光反應動力學研究 434

13.1.1 化學反應速率 435

13.1.2 分子反應碰撞理論 437

13.2 氣體動力學研究 441

13.2.1 噴管流場的多組分非黏性模型 442

13.2.2 多組分氣體輸運係數 445

13.3 氣動光學研究 447

13.3.1 腔內非均勻介質光束傳輸特性 447

13.3.2 高能激光通道熱效應與有效傳輸效率問題研究 450

參考文獻 458

第14章 高功率光纖激光研究進展 459

14.1 常規光纖激光器 459

14.2 高功率窄線寬光纖激光器 461

14.3 特殊波長光纖激光器 465

14.3.1 短波長光纖激光器 466

14.3.2 長波長光纖激光器 467

14.4 拉曼光纖激光器 469

14.4.1 常規拉曼光纖激光器 470

14.4.2 隨機分佈式反饋拉曼激光器 471

14.4.3 拉曼光纖放大器 473

14.4.4 混合增益光纖激光器 474

14.4.5 新動向 477

14.5 超快光纖激光器 478

14.5.1 空間結構 479

14.5.2 全光纖結構 482

14.6 2μm光纖激光器 484

14.6.1 高功率連續光纖光源 485

14.6.2 高功率脈衝光纖光源 491

14.6.3 高功率超熒光光纖光源 493

參考文獻 494

第15章 我國近期激光慣性約束聚變物理實驗與診斷技術研究進展 513

15.1 美國激光ICF點火實驗及診斷主要進展簡介 515

15.2 近期國內激光ICF實驗研究進展 518

15.2.1 神光Ⅱ物理實驗 519

15.2.2 神光Ⅲ原型物理實驗 527

15.2.3 神光Ⅲ主機黑腔內爆綜合驗證實驗 534

15.3 國內ICF診斷技術主要進展 537

15.3.1 ICF精密診斷特點及組成 537

15.3.2 近期發展有特色的診斷技術 538

15.4 總結 542

參考文獻 543

第16章 激光干涉測量技術研究進展 545

16.1 激光干涉測速技術 545

16.1.1 激光速度干涉測量技術 546

16.1.2 全光纖位移干涉測量技術 548

16.1.3 雙源混頻測速技術 550

16.2 頻域干涉測量技術 552

16.2.1 全光纖靜態頻域干涉測試技術 553

16.2.2 全光纖動態頻域干涉測試技術 554

16.3 基於頻域維度的全空間電磁波干涉測量研究設想 556

參考文獻 556

第17章 光電探測系統與激光的相互作用機理 558

17.1 激光在光學系統內的傳播 558

17.1.1 光學系統中的表面散射 558

17.1.2 光學系統中的衍射 562

17.2 激光對光電探測器的干擾 563

17.2.1 激光飽和乾擾的一般規律 563

17.2.2 激光干擾中的一些特殊現象 565

17.3 激光對光電探測系統的損傷 574

17.3.1 激光對探測器的損傷 574

17.3.2 激光對光學組件的損傷 585

參考文獻 594

第18章 連續波激光與材料/結構的能量耦合研究 596

18.1 激光能量耦合的概念 597

18.2 激光能量耦合係數的反演 598

18.3 反射率的測量 601

18.3.1 積分球測量中的不確定度分析 602

18.3.2 材料表面狀態的問題 603

18.3.3 熱輻射的影響及其處理 607

18.3.4 共軛反射計 609

18.4 激光輻照金屬的高升溫率能量耦合特性演化 610

18.4.1 熱氧化 611

18.4.2 三層膜模型 613

18.4.3 反射率變化的微觀結構分析 614

18.4.4“狀態凍結”法激光熱氧化“歷程還原”研究 615

18.4.5 多層氧化膜模型的再研究 620

18.5 複合材料/結構的激光能量耦合 623

18.5.1 塗覆層 623

18.5.2 樹脂基玻璃纖維增強複合材料體吸收、面吸收的耦合機制轉化 625

18.5.3 蜂窩夾層複合結構的激光能量耦合 626

18.5.4 碳纖維增強的樹脂基複合材料 628

18.6 展望 630

參考文獻 631

第五篇 空間環境效應物理力學

第19章 空間環境及其效應概述 637

19.1 引言 637

19.1.1 地球空間環境 637

19.1.2 太陽活動對地球空間環境的影響 638

19.1.3 空間環境效應 641

19.2 空間粒子輻射環境及其效應 642

19.2.1 概述 642

19.2.2 輻射物理基礎 644

19.2.3 空間粒子輻射環境 646

19.2.4 空間粒子輻射環境效應 649

19.3 等離子體環境及其效應 652

19.3.1 概述 652

19.3.2 物理學基礎 654

19.3.3 等離子體環境 655

19.3.4 等離子體環境效應 659

19.4 真空紫外環境及其效應 662

19.4.1 概述 662

19.4.2 物理學基礎 662

19.4.3 真空紫外環境 664

19.4.4 真空紫外環境效應 666

19.5 中性大氣環境及其效應 667

19.5.1 概述 667

19.5.2 物理學基礎 667

19.5.3 中性大氣環境 669

19.5.4 中性大氣環境效應 672

19.6 微流星體/空間碎片環境及其效應 677

19.6.1 概述 677

19.6.2 物理學基礎 677

19.6.3 微流星體/空間碎片環境 677

19.6.4 微流星體/空間碎片環境效應 679

參考文獻 680

第20章 空間載荷部件物理力學應用及進展 683

20.1 空間載荷部件中的力學研究進展 683

20.1.1 有效載荷存在的物理力學問題概述 683

20.1.2 機械連接結構對空間載荷部件的主要影響 685

20.1.3 網狀天線結構中的力學問題 686

20.2 微波無源部件物理力學應用 689

20.2.1 微波部件的力學微觀接觸 689

20.2.2 微觀接觸對微波部件的接觸阻抗的影響分析 700

20.2.3 微波部件電連接接觸非線性誘發的無源互調問題研究 705

20.2.4 小結 720

20.3 物理力學在網狀天線無源互調分析中的應用 720

20.3.1 金屬絲網接觸結力學建模及性能分析 720

20.3.2 網狀天線預張力對無源互調的影響規律 743

20.3.3 小結 765

20.4 總結 765

參考文獻 765

第21章 空間環境下流體力學與傳熱傳質 769

21.1 影響流體力學與傳熱傳質的空間環境 769

21.1.1 空間重力環境 769

21.1.2 特殊大氣壓 770

21.2 空間不同重力環境下的兩相流體力學及傳熱傳質 771

21.2.1 不同重力場的影響分析 771

21.2.2 兩相傳熱系統的空間應用 776

21.2.3 小結 786

21.3 空間蒸發/昇華傳熱傳質過程重力無關特徵參數分析 786

21.3.1 空間蒸發/昇華技術應用背景 786

21.3.2 水昇華器工作過程描述 787

21.3.3 基於重力影響的無量綱準則數 788

21.3.4 重力條件對水昇華器工作過程影響分析 788

21.3.5 重力條件對水昇華器特徵參數選取的影響 792

21.3.6 小結 796

21.4 火星表面氣體夾層隔熱效果評估 796

21.4.1 研究對象描述 796

21.4.2 仿真結果 796

21.4.3 實驗驗證 798

21.4.4 小結 799

21.5 總結 799

參考文獻 800

第22章 空間碎片超高速撞擊效應及防護技術 803

22.1 空間碎片環境模型 810

22.1.1 引言 810

22.1.2 微流星體環境模型 811

22.1.3 空間碎片環境模型 817

22.2 防護結構與撞擊極限方程 822

22.2.1 引言 822

22.2.2 防護結構構型 823

22.2.3 防護材料 825

22.2.4 撞擊極限方程 831

22.2.5 撞擊極限方程建模方法 835

22.2.6 超高速撞擊風險評估 835

22.3 超高速撞擊地面實驗 836

22.3.1 引言 836

22.3.2 超高速撞擊實驗設備 837

22.3.3 超高速撞擊實驗方法 843

22.3.4 超高速撞擊實驗數據處理 844

22.4 超高速撞擊數值仿真 845

22.4.1 引言 845

22.4.2 超高速撞擊數值仿真算法 846

22.4.3 超高速撞擊材料模型 851

22.4.4 超高速撞擊數值仿真軟件 857

22.4.5 典型防護結構超高速撞擊數值仿真 858

參考文獻 862

第23章 等離子體誘發航天器表面帶電的作用機理 865

23.1 地球空間等離子體環境分析 865

23.1.1 地球空間 865

23.1.2 表面帶電現象 866

23.1.3 地球同步軌道 867

23.1.4 低地球軌道 868

23.2 航天器表面帶電物理過程 869

23.2.1 物理過程 869

23.2.2 電流平衡方程 874

23.3 典型算例 881

23.3.1 航天器表面帶電仿真分析 881

23.3.2 航天器太陽電池陣電流收集分析 886

23.3.3 利用模型分析不同空間環境下靜電放電可能性 888

23.4 總結 889

參考文獻 890