本书旨在引导读者了解当代工程发展对力学的强烈需求、力学发展应解决的工程问题，进而为从事工程力学研究做必要的准备。全书包括基本方法篇，动力学篇，固体力学篇，流体力学篇。在基本方法篇，主要介绍如何从系统科学角度审视与力学相关的工程问题，如何对工程力学问题进行定性研究、机理研究、数据研究，把握工程力学问题的内在规律。在此后几篇，选择了我国学者在航空航天、船舶推进、高速铁路、高层建筑、柔性电子、风力发电、武器战斗部等工程领域的11个力学研究案例，分别介绍如何将复杂的工程力学问题进行简化，梳理研究思路，最终解决问题，满足工程设计、研制和运行需求。

目录
前言
第一篇 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很好匹配设计原理 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 轻巧承力吸能一体曲面超结构 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 可弯曲结构 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
13.2.1 聚能射流的基本概念 408
13.2.2 聚能射流的形成过程 410
13.2.3 聚能射流对靶板的破甲 411
13.3 聚能射流及其破甲的近似理论 413
13.3.1 聚能射流效应的近似分析 413
13.3.2 破甲深度的近似分析 416
13.4 聚能射流效应设计方法 418
13.4.1 及其装药设计 418
13.4.2 药型罩设计 419
13.4.3 炸高设计 422
13.5 反坦克火箭弹的聚能射流战斗部设计 423
13.5.1 理论设计 423
13.5.2 数值模拟和实验验证 425
13.6 问题与展望 426
思考题 427
拓展阅读文献 427
第14章 船舶螺旋桨的空泡流预报 428
14.1 研究背景 428
14.2 对螺旋桨空泡流的认识 430
14.2.1 空化的物理机制 430
14.2.2 空泡类型与关键动力因素 432
14.3 螺旋桨空泡流建模和分析 434
14.3.1 球泡动力学模型 434
14.3.2 空化模型的建立与多相流模拟 436
14.4 螺旋桨空泡流模拟及其应用 439
14.4.1 螺旋桨性能及水洞实验 440
14.4.2 均匀流场的螺旋桨空泡预报 443
14.4.3 非均匀伴流场的螺旋桨空泡预报 444
14.5 螺旋桨的梢涡空泡噪声预报 448
14.6 问题与展望 451
思考题 453
拓展阅读文献 454
第15章 高超声速飞行的流动失稳和转捩预报 455
15.1 研究背景 455
15.2 对流动失稳及转捩的认识 457
15.2.1 失稳模态与转捩路径 457
15.2.2 边界层失稳与转捩的典型结果 459
15.3 流动稳定性分析与案例 462
15.3.1 流动稳定性分析概述 462
15.3.2 特征值问题的数值求解方法 464
15.3.3 绝热平板附近流动的稳定性 465
15.3.4 流动稳定性的中性曲线 468
15.4 高超声速边界层流动转捩的数值预报 469
15.4.1 湍流模式简介 469
15.4.2 流动转捩过程的间歇性 471
15.4.3 考虑扰动特征尺度的边界层转捩模式 471
15.4.4 转捩模式的考核案例 473
15.4.5 x51A飞行器风洞模型的转捩预报 475
15.5 问题与展望 477
思考题 478
拓展阅读文献 479