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出版者:高等教育出版社

作者:朱名铨等编

出品人:

页数:268 页

译者:

出版时间:2002年1月1日

价格:27.4

装帧:平装

isbn号码:9787040115871

丛书系列:

图书标签:

• 机电工程
• 智能检测
• 故障诊断
• 状态监测
• 数据分析
• 信号处理
• 人工智能
• 工业自动化
• 预测性维护
• 可靠性工程

智能制造时代的机械动力学与材料科学前沿探索 图书简介 本书聚焦于当前工业界和学术界最为关注的前沿领域——智能制造中的机械动力学、先进材料的结构完整性评估以及非接触式传感技术的融合应用。我们旨在为读者提供一个跨学科的、深入的理论框架与实践指导，特别关注如何利用先进的计算工具和实验手段，实现对复杂机电系统的精准建模、高效控制与可靠性预测。 本书内容不涉及任何关于“机电工程智能检测技术与系统”的具体模块，例如图像识别在缺陷检测中的应用、特定的传感器网络构建、或基于深度学习的故障诊断算法的具体实现等。相反，本书将视角投向了支撑这些应用背后的基础科学原理和宏观系统行为。 全书共分为六个核心部分，结构严谨，逻辑清晰，力求展现现代机械工程学科在面对新一代工业挑战时的深度思考与解决方案。 --- 第一部分：复杂机械系统的非线性动力学分析（约300字） 本部分深入探讨了在高速、高精度运行环境下，机械系统普遍存在的非线性振动现象。我们不讨论如何“检测”这些现象，而是专注于如何从理论上刻画和预测它们。 我们将从广义的哈密顿系统和拉格朗日方程出发，构建高自由度机械臂、高速旋转机械以及往复运动机构的精细化动力学模型。重点研究内容包括： 1. 分岔理论与混沌现象： 详细分析了参数（如转速、载荷刚度）变化对系统稳定性的影响，特别是周期倍增分岔和准周期振动的发生机制。 2. 接触与摩擦的粘滑行为： 基于非光滑动力学理论，建立了接触点复杂的阻尼和摩擦模型，这对于理解高频冲击和磨损的起源至关重要，而非关注如何测量这些损伤的程度。 3. 参数辨识与模型降阶： 介绍如何利用基于模态分析的有限元结果，结合实验数据，通过最小二乘或最大似然估计方法，辨识出系统的非线性参数，并开发高效的降阶模型，以便进行实时仿真，从而预测系统在特定激励下的宏观响应，例如系统的固有频率范围的漂移趋势，而非具体的缺陷特征图谱。 --- 第二部分：先进工程材料的本构关系与微观失效机制（约350字） 本部分着眼于构建现代工程结构所需的高性能材料的理论基础，强调材料在极端服役条件下的响应。本书不涉及无损评估的具体方法，而是深入材料自身的行为。 核心内容包括： 1. 超材料与梯度材料的力学设计： 阐述如何通过结构设计（如晶格结构或多孔结构）来调控材料的等效弹性模量、泊松比和热膨胀系数。重点分析其在应力集中区域的局部场强分布，而非检测材料内部的微小裂纹。 2. 疲劳寿命的概率模型： 采用Weibull分布和Miner线性累积损伤法则的改进版本，研究材料在交变载荷下的宏观寿命预测。这包括了多轴应力状态下的等效应力概念的建立与修正，关注的是理论预测的寿命上限和下限，而不是基于检测数据来修正寿命曲线。 3. 高熵合金与陶瓷基复合材料的断裂韧性： 深入探讨这些新型材料的微观组织（如位错运动、孪晶边界迁移）如何影响宏观的断裂过程。通过分子动力学模拟（MD）展示原子尺度的能量耗散路径。 --- 第三部分：基于有限元法的结构完整性分析与优化（约300字） 本部分侧重于使用高性能计算方法来模拟和评估结构在复杂载荷下的应力分布和刚度变化。 我们将详细介绍以下内容： 1. 耦合场分析： 重点讨论热-力、电-力、磁-力耦合对结构静力学和动力学行为的影响。例如，在高温环境下，材料的热膨胀与机械应力如何相互作用，导致结构变形的非线性增加。 2. 拓扑优化与轻量化设计： 采用密度法和水平集方法，实现结构在满足特定刚度或模态频率约束下的材料最优分布。这一过程完全基于预设的载荷工况和边界条件，不涉及任何在线数据反馈。 3. 接触分析与碰撞模拟： 针对多体系统，使用Penetration/Contact算法和罚函数法，模拟部件间的瞬态接触行为。分析碰撞过程中的能量吸收机制和冲击载荷的峰值传递，为结构冲击防护提供理论依据。 --- 第四部分：高精度机电耦合系统的控制理论（约250字） 本部分探讨如何设计鲁棒的控制器，以确保复杂的机电系统能够精确地跟踪期望轨迹，并抵抗外部干扰和内部参数不确定性。 核心控制策略的理论基础包括： 1. 自适应与鲁棒控制： 引入滑模控制（SMC）和$mathcal{H}_{infty}$控制，用于处理系统模型不确定性带来的影响。详细推导Lyapunov函数，证明控制系统的全局渐近稳定性，侧重于控制器设计本身的数学完备性。 2. 模型预测控制（MPC）的理论框架： 阐述在线优化问题的求解过程，包括约束的嵌入和滚动时域的更新机制。强调MPC在处理多输入多输出（MIMO）系统耦合性时的优势。 3. 状态观测器的设计： 基于卡尔曼滤波（KF）和扩展卡尔曼滤波（EKF）的原理，设计用于估计系统不可直接测量状态的观测器。这是一种状态估计理论，而非具体的数据采集和处理流程。 --- 第五部分：传感系统中的信号处理与信息论基础（约200字） 本部分回顾了用于描述物理量变化的基础数学工具，为理解任何基于测量的分析提供坚实的数学基础，但不会涉及具体的检测算法。 内容侧重于： 1. 随机过程理论： 介绍布朗运动、马尔可夫过程在高斯白噪声环境下的特性，以及如何使用Wiener过程描述系统中的随机扰动。 2. 频域分析与小波变换： 深入研究傅里叶变换在周期信号分析中的应用，并详细介绍小波基函数的选择和多分辨率分析的数学原理，用于信号的时频局部化特性研究。 3. 信息熵与不确定性度量： 从香农信息论的角度，量化随机信号中包含的信息量，为评估系统信息传输效率提供理论度量。 --- 第六部分：实验数据分析中的统计推断与不确定性量化（约150字） 本部分关注如何从实验测量数据中提取可靠的统计结论，并对结果进行严格的科学论证。 主要涵盖： 1. 回归分析与模型拟合： 线性及非线性回归模型在实验数据拟合中的应用，以及如何评估模型的显著性和残差的独立性。 2. 误差传播与置信区间： 根据误差传播定律，计算实验参数估计值的总不确定度，并构建95%或99%的置信区间，以科学地报告实验结果的可靠范围。 --- 总结： 本书的读者群体主要为高级工程技术人员、研究生和从事机械基础理论研究的学者。它提供了一种自上而下的、以机理分析和数学建模为核心的研究视角，旨在培养读者在面对新型复杂机械系统时，能够独立构建精确的理论模型，设计先进的控制策略，并对材料的内在力学行为有深刻的理解。本书的价值在于其对基础科学原理的深度挖掘，而非对具体工程应用工具箱的介绍。

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我之前接触过几本偏向自动化控制的教材，它们总是在技术细节上纠缠不清，反而忽略了整个系统的集成与优化。然而，这本书的价值恰恰体现在它对“系统”层面的关注。作者花费了大量篇幅来讨论数据链的构建、边缘计算节点的部署，以及检测结果与MES（制造执行系统）的无缝对接。这些内容对于想要搭建完整智能检测平台的人来说，简直是提供了蓝图。特别是关于数据安全与隐私保护的那一小节，在当前工业互联网大背景下，这是一个极其容易被忽视却又至关重要的环节，作者能够将其纳入探讨范围，显示出其视野的开阔和对现代工业要求的深刻理解。这本书不只是关于“检测技术”本身，更是关于如何构建一个“可运行、可持续”的智能运维生态。

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说实话，我原本以为这类技术书籍都会非常枯燥，充斥着大量的公式和理论推导，但这本书的实践案例部分简直是教科书级别的精彩。它不仅仅是罗列了技术标准，而是深入探讨了在实际工业环境中，如何将理论完美落地。比如，它详尽地分析了某钢铁厂在高温高压环境下，如何利用机器视觉系统实现关键部件的实时形变监测，那种对现场复杂性（比如光照变化、灰尘干扰）的考量和解决方案的设计思路，真是太实在了。书中穿插的“项目复盘”小节，尤其宝贵，它坦诚地记录了研发过程中遇到的“坑”以及最终的优化路径，这种经验分享比纯理论学习要值钱得多。读到这些，我感觉自己不是在看一本冰冷的教材，而是在和一位经验丰富的工程师并肩作战，学习他多年积累下来的“看家本领”。

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这本书的结构布局非常精妙，它没有采用传统的“技术A、技术B”的线性叙事，而是采用了“问题导向型”的章节划分。例如，探讨“振动信号分析”时，作者不是孤立地讲解傅里叶变换，而是紧密结合“轴承早期故障的特征提取”这一实际任务来展开，这样读者在学习数学工具的同时，能立刻理解这个工具的“为什么”和“如何用”。这种内容组织方式，极大地提高了阅读的连贯性和目的性。此外，对于新兴的深度学习在检测中的应用，它的介绍也保持了极高的前瞻性，但并没有为了追求时髦而过度拔高，而是非常务实地指出了当前算法在小样本学习和抗干扰能力上的局限性，这种审慎的态度非常值得信赖。

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这本书的装帧设计非常吸引人，封面那种深邃的蓝色调，配上流动的电路图纹理，让人一眼就能感受到它蕴含的科技感。我本来对这个领域了解不深，但书本的引言部分写得相当平易近人，没有一上来就堆砌晦涩的专业术语。作者似乎很懂得如何引导一个新手入门，用日常生活中一些简单的机械故障引入，然后逐步过渡到复杂的传感器技术。我尤其喜欢它在“无损检测基础”那一章的编排，它没有直接给出各种复杂的数学模型，而是通过大量的插图和流程图，清晰地展示了超声波、红外热像仪等技术的物理原理和实际应用场景。读完这几章，我对工业设备维护的整体图景有了更清晰的认识，感觉自己仿佛拿到了一个万能的“设备诊断工具箱”的说明书。这种从宏观到微观、循序渐进的讲解方式，极大地降低了学习门槛，让原本感觉高不可攀的“智能检测”变得触手可及。

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这本书的语言风格非常成熟和内敛，没有丝毫浮夸的宣传口吻。它像一位严谨的学者在进行一次学术报告，每一个论点都有其坚实的理论基础支撑，并且时刻保持着对技术发展趋势的敬畏之心。我特别欣赏它在描述复杂算法（比如支持向量机在分类中的应用）时，所展现出的那种“抽丝剥茧”的耐心。它会先用最基础的几何概念去描绘决策边界的形成，然后再逐步引入高维空间映射，确保读者在跟进复杂概念时不至于迷失方向。总的来说，这是一本兼具学术深度和工程实用性的佳作，它提供给读者的不只是知识点，更是一种严谨的、面向实际问题的工程思维模式。

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