具体描述
本书是本科教学计划调整后，根据“强基础、宽专业”的要求编写的。各专业学生在学习本专业的专业基础课和专业课之前学习本书，可了解本专业在整个工业系统中的地位和作用，为学生学习后续专业课打下基础，并能为学生毕业后择业提供一定的指导作用。
本书主要讲解能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业、汽车工业、电子信息产业、轻工业和建筑业的历史演变、现状和发展趋势；在国民经济中的地位和作用；原理、特点和常用的工艺装备；安全生产与环境保护的关系等内容。工业企业管理部分主要介绍工业企业的特征、企业管理的自然属性和社会属性、工业企业管理的职能、内容、基本原则和方法等。学生通过对各工业部门（学科）的共性和交叉点的学习，贯彻学科交叉融合的思想，寻找技术创新点，培养创新意识。
本书适合大学本科一、二年级学生学习。
工业革命的微观脉络：探寻物质世界与人类智慧的交汇点 本书带领读者深入当代工业体系的基石，并非聚焦于“现代工业系统基础”这类宏观的概览性论述，而是专注于探究那些驱动现代工业运转的、更为精微和具体的工程科学分支与技术实践。我们试图拆解工业复杂性背后的物理原理、材料革新以及信息流动的底层逻辑，从而勾勒出一幅关于“如何制造”而非“制造了什么”的详细图景。 第一部分：超尺度材料科学与精密制造的边界 本书的第一部分将目光投向支撑现代工业可靠性的核心——材料科学的最新进展及其在极端制造条件下的应用。我们不会泛谈材料的分类，而是集中探讨功能梯度材料（FGMs）在航空航天热防护系统中的实际设计与制备。这涉及到梯度指数的精确计算、烧结过程中的微观晶粒控制，以及如何通过非线性有限元分析预测其在超高温、高应力环境下的服役寿命。我们将详细剖析激光增材制造（LPA）中，特别是选区激光熔化（SLM）技术，如何突破传统冶金学的限制，实现对复杂内部结构（如仿生蜂窝结构或拓扑优化结构）的直接构建。这包括对熔池动力学（Melt Pool Dynamics）的实时监测技术——例如利用高速红外热像仪和光谱分析——如何确保层与层之间的冶金结合质量，并有效抑制孔隙率的生成。 紧接着，我们将深入到表面工程领域。现代工业的效率往往取决于部件表面的摩擦、磨损和腐蚀性能。本书将详尽阐述PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）工艺的最新发展，特别是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在半导体制造中作为介电层沉积的关键作用。我们将分析氮化钛（TiN）薄膜的硬度、内应力与其沉积角度、偏压之间的复杂关系，并以一个具体的案例——高速切削刀具涂层优化为例，量化不同微观结构如何影响刀具寿命的提升百分比。 第二部分：流体力学与能源转换的跨学科工程 本部分抛弃了通用的流体力学公式推导，转而关注高精度控制下的复杂流体现象及其在能源系统中的应用。我们将聚焦于微流控芯片（Microfluidics）在生物传感和化学分析中的集成设计。这要求我们理解牛顿流体和非牛顿流体在微通道内的复杂流动特性，如电泳迁移、表面张力驱动的“滴”的精确控制，以及如何利用声波或磁场实现对微液滴的无接触操纵。详细的设计图纸和COMSOL Multiphysics仿真结果将被用来展示如何精确控制雷诺数（$Re$）在极低范围内的行为，以实现高通量的并行化分析。 在能源转换方面，我们不再描述传统热力学循环，而是深入探讨燃料电池的电化学反应动力学。特别是对于质子交换膜燃料电池（PEMFC），本书将细致分析催化剂层（CL）的结构设计——包括碳载体、铂纳米颗粒尺寸分布与离子/电子传输路径之间的优化权衡。读者将看到如何利用电化学阻抗谱（EIS）来诊断电池内部的欧姆极化、活化极化和浓差极化，并据此调整膜的厚度和孔隙率，以期在保持高功率密度的同时，延长电池的循环寿命。 第三部分：信息物理系统（CPS）的底层通信与实时控制 本书的第三部分聚焦于驱动“工业4.0”的神经系统——信息物理系统（CPS）的实时数据采集、传输与决策制定机制，但这绝不是对云计算或大数据分析的概述。我们的重点在于现场总线技术（Fieldbus Technologies）的迭代与挑战。我们将对比分析EtherCAT、PROFINET IRT和TSN（时间敏感网络）在确定性（Determinism）和抖动（Jitter）控制上的差异。通过深入分析EtherCAT的主站-从站数据帧结构和循环周期管理，读者将理解如何在纳秒级别确保运动控制指令的同步性。 此外，本书将详细介绍先进的闭环反馈控制算法在复杂机械系统中的部署。我们摒弃PID控制的常规讨论，转而关注模型预测控制（MPC）在处理多变量耦合系统时的优势。以一个高精度数控机床的热误差补偿系统为例，我们将展示如何建立系统的动态模型（例如，利用卡尔曼滤波对传感器漂移进行修正），如何在约束条件下（如执行器饱和）求解优化问题，并实时生成最优控制序列，从而将定位精度从微米级提升至亚微米级。这部分内容深入到离散时间控制理论在嵌入式系统中的具体实现路径。 第四部分：数字孪生与系统验证的元方法论 最后一部分探讨的是如何在虚拟空间中有效验证和优化物理实体。我们关注的不是“数字孪生”这个概念本身，而是实现高保真数字孪生的关键建模方法。这包括如何使用多物理场耦合仿真软件（如Abaqus或Ansys Fluent）来构建一个可信的预测模型。 具体的实践案例将集中在疲劳寿命的统计推断与加速测试设计。我们将介绍Weibull分布在描述材料随机失效时间上的应用，以及如何设计一个科学的“阶梯式”加速寿命试验（HALT/HASS）方案。这要求我们精通载荷谱的构建、环境应力因子（ESF）的确定，以及如何将加速测试数据通过模型反推到实际工况下的预期寿命。这是一种超越简单参数设定的、基于物理机理的系统验证方法论。 通过上述四个模块的深入剖析，本书旨在为工程技术人员提供一套扎实、前沿且高度聚焦的工程科学工具箱，这些工具直接服务于当代工业系统在性能极限、可靠性与实时性方面的不断突破。
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