具体描述
机械设计基础（下册）—— 拓展与深化：现代工程实践中的关键技术 本书系“机械设计基础”系列教材的下册，承接上册关于机械原理、机构分析与基础零部件设计的内容，将重点聚焦于现代机械设计中的关键技术、先进制造工艺的集成应用以及系统可靠性与性能优化。全书旨在培养读者将理论知识转化为解决复杂工程问题的实际能力，特别强调面向实际应用和前沿技术的发展趋势。 第一部分：先进材料与连接技术 本部分深入探讨了当前工程领域中应用日益广泛的新型材料及其在机械结构中的有效连接方法。 第一章：高性能工程材料的选用与改性 本章超越了传统金属材料的范畴，重点介绍结构设计中对材料性能的更高要求。 工程塑料与复合材料： 详细分析碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）的力学特性、失效模式以及在轻量化结构中的应用案例（如汽车覆盖件、航空结构件）。对比不同纤维铺层方式对材料各向异性强度的影响。 智能材料简介： 初步引入形状记忆合金（SMA）和压电材料在传感器和执行器中的应用潜力，探讨其在主动减振和自适应结构设计中的初步构想。 表面工程技术： 重点介绍提高零部件耐磨损、耐腐蚀性能的先进技术，包括但不限于PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）薄膜技术，以及激光熔覆修复技术在延长设备寿命中的作用。分析不同表面处理工艺对疲劳强度的影响规律。 第二章：现代连接技术与装配工艺 本章着重于连接件的设计优化，以适应高载荷、高精度和快速装配的需求。 先进螺纹连接： 探讨高强度螺栓、自锁螺母的设计原理及预紧力的精确控制。引入基于有限元分析（FEA）的螺栓连接强度评估方法，特别是在交变载荷下的疲劳寿命预测。 胶接与铆接： 详细分析结构胶的类型（如环氧树脂、聚氨酯）及其在异种材料连接中的优势。讨论自动化铆接工艺在航空器装配中的质量控制标准。 可拆卸连接件的优化： 针对维修和模块化设计的需求，研究卡扣、快速接头的设计参数对装配力和密封性能的影响。 第二部分：机械传动系统的优化设计与控制 本部分深化了对复杂传动系统的分析，并融入了现代控制思想，以实现传动效率和动态性能的提升。 第三章：滚动轴承的高速与精密应用 本章侧重于超高转速、高负荷工况下轴承的选型、润滑与寿命计算的精细化。 轴承动态特性分析： 引入轴承刚度模型，分析转子在高速旋转时，轴承与轴系的耦合振动问题。讨论轴承游隙对系统固有频率和动态响应的影响。 润滑理论的工程化： 深入讲解弹性流体动力润滑（EHL）理论在轴承设计中的应用，分析粘度等级、添加剂对边界润滑和混合润滑状态下的影响。探讨迷宫式密封、接触式密封在不同转速下的可靠性比较。 轴承的失效诊断： 介绍基于振动信号分析的滚动轴承早期故障识别技术，重点阐述特征频率提取和时频分析在状态监测中的应用。 第四章：齿轮传动的高精度与重载设计 本章关注齿轮制造精度、接触疲劳和强度校核的现代化方法。 误差补偿与精度等级： 详细介绍齿轮加工过程中引入的误差（如分度圆误差、齿形误差）如何影响啮合质量。讨论ISO/AGMA精度等级标准在不同应用场景下的适用性。 齿面接触强度优化： 基于赫兹接触应力理论，分析齿面点接触区域的应力集中。介绍齿形修形（如变位、变高）技术如何有效改善齿顶和齿根的应力分布，提高疲劳寿命。 润滑与冷却： 针对大功率齿轮箱，讨论油浴润滑、压力润滑的适用条件，以及油液冷却系统在热平衡设计中的作用。 第五章：弹性元件与振动控制 本章聚焦于机械系统中不可或缺的弹性连接体及主动/被动减振技术。 弹簧的非线性特性： 分析螺旋弹簧在受压、受拉过程中可能出现的屈曲失稳问题。引入碟形弹簧（Belleville Washer）的受力分析及其在精密夹持机构中的应用。 减振器选型与设计： 对比粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器和磁流变（MR）阻尼器的性能曲线。重点讨论如何通过阻尼器的非线性特性实现宽频带的振动抑制。 机械系统动态特性校核： 介绍利用模态分析确定结构固有频率和振型，并采用阻尼比、吸收器等方法避免“共振区”设计。 第三部分：可靠性、安全性与现代分析方法 本部分是连接传统设计与未来智能制造的关键桥梁，强调设计结果的量化评估和优化。 第六章：机械系统可靠性与寿命预测 本章将可靠性理论应用于实际零部件设计中，实现面向寿命的设计（DfL）。 可靠性指标与分布函数： 深入讲解威布尔分布（Weibull Distribution）在评估随机性失效（如疲劳失效）中的应用。计算系统平均无故障时间（MTTF）和可靠度函数 $R(t)$。 疲劳寿命的概率评估： 结合S-N曲线和Miner准则，引入概率因子，对复杂变幅载荷下的累积损伤进行精确量化。探讨高周疲劳（HCF）和低周疲劳（LCF）的设计边界。 安全裕度与容错设计： 定义结构安全裕度，并探讨如何通过冗余设计和故障诊断系统提高整体运行的容错能力。 第七章：现代设计分析工具的应用（有限元法进阶） 本章侧重于设计过程中常用仿真工具的高级应用技巧。 非线性有限元分析： 介绍接触问题（Contact Analysis）、大变形分析（Large Deformation）在线性FEA无法解决时的处理方法。分析材料的弹塑性本构模型对结构应力集中预测的准确性影响。 疲劳分析模块（FE-Fatigue）： 演示如何将FEA得到的应力场结果导入专业的疲劳分析软件中，进行高周疲劳寿命预测（基于应力寿命法或应变寿命法）。 拓扑优化（Topology Optimization）： 介绍如何利用软件设定载荷、边界条件和设计空间，自动生成满足特定刚度或模态要求的最佳材料分布结构，为增材制造（3D打印）提供设计依据。 全书结构紧凑，理论推导严谨，并通过大量的工程实例和仿真结果佐证设计原则的有效性，旨在使读者具备独立进行复杂机械系统优化设计和性能评估的能力。
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