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出版者:机械工业出版社

作者:谢里阳

出品人:

页数:211

译者:

出版时间:2005-5

价格:28.0

装帧:平装

isbn号码:9787111163992

丛书系列:

图书标签:

• 好
• 机械设计
• 现代设计
• 工程设计
• 机械工程
• 设计方法
• 创新设计
• 产品设计
• CAD/CAM
• 数字化设计
• 工业设计

精密制造与先进材料应用：面向复杂结构的功能性设计 书籍主题聚焦： 本书深入探讨现代制造业中，如何将前沿材料科学与精密制造工艺深度融合，以实现复杂结构部件的功能优化与性能提升。内容侧重于从材料选择、结构设计、成型工艺到性能评估的全过程链条，旨在为工程师和研究人员提供一套系统化的、面向实际工程挑战的设计方法论。 第一部分：先进结构材料的特性与选择 本部分详细剖析了当前工业领域中应用日益广泛的新型结构材料的微观结构、力学性能、热力学行为以及环境适应性。 第一章：高性能金属合金的设计与表征 本章首先回顾了传统工程合金（如高强度钢、钛合金）的冶金基础，随后重点介绍了新一代高性能金属材料。这包括： 高熵合金（HEA）： 探讨其欠平衡态结构对强度、韧性和耐腐蚀性的影响。分析了基于计算热力学和高通量实验筛选的HEA设计流程。重点案例研究集中在航空发动机叶片用高温抗蠕变HEA的微观结构控制。 增材制造（AM）专用金属粉末： 讨论了选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）对材料微观组织的影响。详细阐述了快速凝固过程中形成的非平衡相、位错密度和残余应力对最终部件性能的制约与机遇。内容涵盖了对高应变速率敏感材料（如某些铝锂合金）的疲劳性能预测模型。 梯度材料（FGMs）： 分析了如何通过控制合金成分的梯度变化来实现热应力或机械应力的有效分散。重点介绍了热喷涂技术和扩散连接技术在制造功能梯度材料上的应用瓶颈及突破。 第二章：复合材料与智能材料在承力结构中的应用 本章着眼于非金属和功能性材料在承载系统中的集成应用。 先进纤维增强复合材料（FRCs）： 聚焦于碳纤维增强环氧树脂（CFRP）和陶瓷基复合材料（CMC）的设计。深入讨论了层合板铺层设计理论（如经典层合板理论的局限性），引入了基于离散元法（DEM）的纤维/基体界面损伤模型。对承受冲击载荷的复合材料，详细分析了穿透/非穿透损伤的识别与量化方法。 功能性复合材料： 探讨了导电/压电复合材料在结构健康监测（SHM）中的应用。分析了压电材料（如PZT）与结构基体间的有效场模型，以及如何利用这些材料实现对裂纹萌生和扩展的实时传感。 形状记忆合金（SMA）： 阐述了SMA（如NiTi）的马氏体相变驱动的应变恢复能力。重点讲解了如何将SMA的应变能力转化为对结构振动的有效阻尼或主动控制，特别是针对大跨度桥梁和高精度仪器的应用案例。 第二部分：面向复杂拓扑的精密成型与后处理 本部分的核心在于探讨如何通过先进制造技术，精确地将设计意图转化为具有所需内部结构的物理实体，并优化其表面和近表面性能。 第三章：增材制造过程的数值模拟与工艺优化 本章将增材制造视为一个多物理场耦合的复杂热力学过程，并提供了一套系统的模拟与控制策略。 熔池动力学建模： 详细介绍了基于有限元法（FEM）和计算流体力学（CFD）的熔池热-流耦合模型。重点讨论了激光-材料相互作用、表面张力驱动的流动（Marangoni效应）以及孔隙形成机制的数值重构。 残余应力与变形控制： 分析了增材制造过程中由于快速加热和冷却导致的温度梯度引起的内应力累积路径。提出了基于扫描策略优化和原位反馈控制的残余应力最小化方法，特别针对薄壁和悬挑结构。 多孔结构与晶粒生长模拟： 阐述了如何利用相场模型（Phase-Field Model）模拟增材制造过程中的快速凝固和异质晶粒的形成，从而设计出具有特定晶体取向的材料结构，以提高各向异性材料的性能。 第四章：超精密加工与表面完整性控制 本章关注于如何对增材制造或传统锻造零件的表面进行精加工，以达到严苛的服役要求。 微纳尺度切削理论： 深入探讨了在单齿或极小切深下的材料去除机制，区别于传统宏观切削理论。分析了材料的塑性变形、堆屑形成以及刀具与工件之间的化学粘附对表面粗糙度和微观裂纹的影响。 非传统加工技术： 详述了电火花加工（EDM）、激光冲击强化（LSP）和超声波辅助加工（UAM）在提高表面硬度和引入残余压应力方面的机理。特别对比了LSP对疲劳寿命的提升效果与引入的表面形貌变化之间的权衡。 表面功能化技术： 讨论了物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）工艺中薄膜的内应力控制、界面结合强度评估，以及如何通过多层或梯度涂层设计来提升耐磨性和抗氧化性。 第三部分：面向性能的结构化设计与可靠性评估 本部分将材料与制造工艺的结果映射到宏观的结构响应上，强调性能驱动的设计迭代。 第五章：拓扑优化与多尺度结构设计 本章超越了传统强度校核，转向利用计算工具探索最优结构布局。 密度法与水平集法的对比分析： 详细介绍了不同拓扑优化算法在处理载荷边界条件变化时的鲁棒性。重点分析了在制造约束（如最小壁厚、悬垂角限制）下如何将理论优化结果转化为可制造的几何模型。 晶格结构与点阵材料设计： 专门探讨了三维点阵结构的力学性能建模。介绍了基于梁单元或壳单元的等效均质化模型（Homogenization），以及如何通过调整晶格单元的几何参数（如杆的直径、节点连接方式）来调控材料的杨氏模量、屈服强度乃至声学或热学特性。 损伤容限设计（Damage Tolerance）： 结合断裂力学和疲劳寿命预测，阐述了如何预先在结构中植入或设计有利于裂纹偏转的特征结构（如钝化角、应力集中点的梯度优化），以提高结构的剩余寿命。 第六章：复杂载荷环境下的寿命预测与验证 本章聚焦于如何准确预测在非均匀和复杂载荷组合下的结构可靠性。 多轴疲劳与断裂判据： 总结了基于应变、应力以及能量密度的多轴疲劳模型（如Findley准则、Smith-Watson-Topper (SWT) 参数在非比例加载下的适用性）。针对薄壁件，讨论了基于表面裂纹扩展的寿命分析方法。 热-力-腐蚀耦合作用的评估： 分析了在极端温度变化和化学侵蚀共存环境（如核电或海洋工程）下的材料退化机制。引入了时间-温度等效原理在加速老化测试中的应用。 测试与仿真的一体化验证： 强调了基于数字孪生和原位监测技术对设计验证的重要性。详细介绍了同步采集高通量应变数据（如DIC技术）与有限元模型输出的误差校准流程，确保仿真模型的准确性。 结语： 本书致力于搭建起材料科学前沿、先进制造工艺与高性能结构设计之间的桥梁，为工程师提供在复杂服役环境下，实现部件轻量化、功能化和长寿命化所需的理论指导和工程实践工具。

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这本书的行文风格非常“务实”，它几乎没有使用任何空泛的形容词来赞美现代技术，而是聚焦于如何**落地**这些技术。我尤其欣赏它对“不确定性量化”这一主题的处理方式。在很多先进设计书籍中，不确定性往往被简单地视为需要降低的噪音，但作者却将其视为设计过程中的一个固有元素，并提供了一套成熟的方法论来管理和利用这种不确定性，比如引入鲁棒设计和可靠性导向的优化。书中对于如何建立准确的概率分布模型以及如何进行敏感性分析的描述，清晰而富有条理，对于那些需要向决策层汇报设计风险的项目经理来说，是极佳的参考材料。它不是教你如何达到100%的完美，而是教会你如何在资源有限的情况下，以最高的概率达成可接受的、经济上最优的解决方案，这种成熟的工程视角，是这本书区别于其他流派设计的关键所在。

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这本书的叙事节奏非常引人入胜，它不像一本冷冰冰的技术专著，反而读起来更像是一部关于工程哲学演进的编年史。作者的笔触充满了对传统“试错法”的敬意，但同时也毫不留情地指出了其在当前制造精度和材料性能要求下所暴露出的脆弱性。我非常喜欢其中穿插的历史回顾，这些回顾不仅提供了背景知识，更重要的是，它们有力地论证了为何我们必须采纳新的、更具综合性的设计范式。例如，在讨论“数字孪生”的应用时，作者并没有仅仅停留在概念层面，而是深入剖析了如何通过高保真模型实现对产品全生命周期的实时监测和预测性维护，这对于我们处理大型基础设施项目的长期可靠性问题具有极强的指导意义。行文间透露出的那种对细节的极致追求，让读者能感受到作者在构建这套方法论时所倾注的巨大心血和严谨态度。

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说实话，这本书的视角相当独特，它似乎刻意避开了许多教科书上常见的、过于理想化的设计案例。相反，它着重探讨了在真实工业环境下，那些“非线性”和“突发性”问题是如何被现代设计方法所捕获和解决的。尤其让我印象深刻的是对“设计空间探索”这一概念的阐释。作者没有简单地将它归结为参数的随机变化，而是建立了一套基于贝叶斯优化和智能算法的框架，用以指导设计人员如何更高效地在海量可能性中找到全局最优解。这种对计算智能在设计决策中作用的强调，使得这本书在技术层面上显得尤为前沿。我注意到，书中对软件工具的提及虽然点到为止，但其背后所蕴含的设计哲学——即如何将复杂的计算结果转化为可执行的设计指令——才是其价值所在。对于那些已经掌握了基础CAD和FEA技能的设计师来说，这本书提供了一座通往“设计科学家”境界的桥梁，教会我们如何提出更聪明的问题，并用更有效率的方式去验证答案。

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读完此书，我最大的感受是，它成功地将看似分散的工程技术领域进行了高效的整合。过去，我们总是在结构工程师、流体力学专家和材料科学家之间进行信息的传递和转换，效率低下且容易产生“信息茧房”。然而，这本书提出了一套统一的语言和模型框架，允许不同学科背景的人在同一个虚拟平台上进行协同设计。特别是关于“面向制造的设计”（DFM）与“面向装配的设计”（DFA）如何深度融合的章节，展示了如何在一开始就把生产线的实际约束和装配的复杂度纳入优化目标函数。这种全周期的、跨领域的集成思维，是这本书最宝贵的财富。它迫使我们跳出自己熟悉的专业壁垒，从整个价值链的角度去审视每一个设计决策的潜在成本和收益，极大地提升了团队协作的效率和最终产品的整体质量。

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这部书的深度和广度实在令人惊叹，它不仅仅是一本关于机械设计流程的指导手册，更像是一次对现代工程思维模式的深度探索。作者似乎对传统设计理念的局限性有着深刻的洞察，并在此基础上构建了一套极具前瞻性的方法论。我特别欣赏其中关于“多物理场耦合分析”的章节，它没有停留在理论的阐述，而是通过大量贴近实际工程应用的案例，清晰地展示了如何利用高级仿真工具来优化结构、热力学乃至电磁特性之间的相互影响。书中的图表制作精良，数据详实，即便是那些涉及复杂数学模型的推导过程，也被组织得井井有条，让人能够循着逻辑的脉络逐步深入，而不是被晦涩的公式所困扰。阅读过程中，我感觉自己像是在跟随一位经验丰富的首席工程师，学习如何在高不确定性的设计初期阶段，就以一种系统化、可量化的方式来规避风险，从而大大缩短了研发周期。那种从“经验驱动”向“数据驱动”转型的过程，被描绘得淋漓尽致，为我们这些身处快速迭代行业中的人提供了立即可用的思维工具箱。

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