机械设计基础实例教程

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出版者:7-81124
作者:封立耀
出品人:
页数:332
译者:
出版时间:2007-8
价格:32.00元
装帧:
isbn号码:9787811241013
丛书系列:
图书标签:
  • 设计
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具体描述

本书编者在总结“机械设计”课程多年教学经验的基础上,从学生学习和认知规律出发,对“机械设计基础”的教学内容、教学方法和手段等进行了大力度的改革。在确保学生掌握必备的基本知识、基本理论、基本技能的前提下,适度调整教材内容重心,即: 不再强调复杂的理论分析,淡化了公式推导,强化了工程应用内容;新增了机械设计过程中必备的机械动力方面的知识;新增了现代机械设计与分析所需的计算机辅助技术;为适应计算机辅助机械设计的需要,将机械设计中用到的许多图表进行了公式化处理。在教学方法方面,将理论学习、模仿练习、借鉴创新有机地结合起来,本书采用了以工程实例教学为主线的内容组织方式,针对不同层次的学生因材施教。

本书可作为应用型本科、高职高专院校机械类、近机类相关专业的教材,也可供继续教育学院本专科学生和高职高专院校专升本的学生使用。

精密机械设计与制造前沿探索 本书聚焦于现代机械设计与制造领域中最为尖端、最具挑战性的技术热点与实践应用,旨在为工程师、研究人员及高年级本科生提供一个深入理解和掌握复杂系统设计方法的平台。全书以解决实际工程问题为导向,涵盖了从理论基础到前沿工艺的完整技术链条,旨在培养读者在动态变化的技术环境中进行创新性设计和系统集成的能力。 第一部分:先进材料与结构设计优化 本部分深入探讨了在极端工况下(如高温、高压、高腐蚀环境)所需的特种材料选择与应用。 1.1 高性能复合材料的力学行为与建模: 详细分析了碳纤维增强复合材料(CFRP)、陶瓷基复合材料(CMC)在承受交变载荷和热冲击时的失效机制。内容包括先进的层合板理论(如经典层合板理论CLT、先进层合板理论First-order Shear Deformation Theory FSDT)在有限元分析中的精确应用,以及如何通过微观结构设计来提高材料的抗疲劳性能。重点讨论了如何利用增材制造(AM)技术制造具有特定取向纤维的复杂结构,并对其力学性能进行准确预测。 1.2 拓扑优化与轻量化结构设计: 不再局限于传统的设计规范,本章侧重于基于能量密度和刚度约束的密度法拓扑优化(SIMP)和水平集方法(Level Set Method)的最新进展。重点讲解了如何将制造约束(如最小壁厚、拔模方向)无缝集成到优化算法中,实现真正的“设计即制造”(Design for Manufacturing, DFM)的理念。案例分析包括航空航天结构件和高性能跑车底盘的实战优化流程。 1.3 结构完整性与疲劳寿命预测: 探讨了断裂力学在复杂几何结构中的应用,特别是应力集中效应在高周疲劳(HCF)和低周疲劳(LCF)中的影响。内容涉及点应力法、面积法在焊接和连接结构中的应用校准,以及如何利用X射线衍射技术(XRD)测量残余应力,并将其反馈到有限元模型中进行更精确的寿命评估。 第二部分:精密传动系统与动态控制 本部分着重于如何实现机械系统的高精度、高响应速度和高效率的传动与控制。 2.1 极端精度轴承与摩擦学: 超越标准滚动轴承的设计,本章深入研究了空气静压轴承(Air Bearings)和磁悬浮轴承(Magnetic Bearings)的流体力学和电磁学建模。重点讲解了如何设计带有主动间隙控制的磁悬浮系统,以实现纳米级定位精度。同时,对边界润滑和固态润滑的摩擦学现象进行了深入剖析,为高速、真空环境下的机械设计提供理论支撑。 2.2 弹性机构与柔顺机械(Compliance Mechanisms): 介绍了准静力学分析和柔度分析在设计无运动副机构中的应用。通过对扭转弹簧、叠片机构的参数化建模,读者将学习如何设计具有固有柔顺性、无需润滑且运动轨迹精确的机构,例如在精密抓手和生物医学设备中应用的柔顺铰链设计。 2.3 机器人动力学与先进控制策略: 侧重于非线性控制理论在高速运动控制中的应用。详细阐述了基于模型预测控制(MPC)在补偿机械系统摩擦、延迟和结构振动方面的优势。此外,还涵盖了阻抗控制(Impedance Control)和接触力控制的数学原理,为实现人机协作(Cobots)和复杂表面加工提供了理论基础。 第三部分:智能制造与系统集成 本部分将焦点投向数字化转型背景下,机械系统如何与信息技术深度融合。 3.1 增材制造(AM)的设计规范与后处理: 区别于通用概述,本章专注于选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)工艺参数对最终部件微观结构、残余应力和表面粗糙度的影响。重点讲解了如何利用热-力耦合模拟预测制造过程中的应力累积,并设计合理的支撑结构和热处理方案以保证几何精度和材料性能。 3.2 传感器融合与状态监测(PHM): 探讨了如何将光纤光栅传感器、压电纳米传感器集成到关键结构件内部,实现“结构健康监测”(SHM)。内容包括信号处理技术(如小波分析)用于特征提取,以及基于机器学习的故障诊断算法(如LSTM、SVM)在预测性维护(Predictive Maintenance, PdM)中的实际部署流程,目标是构建一个具备自适应能力的智能机械系统。 3.3 复杂系统集成与虚拟样机(Digital Twin): 阐述了如何通过多学科仿真(MDO)平台,将流体、热、结构、控制模型进行耦合分析。核心内容是如何构建高保真度的数字孪生模型,并利用实时数据驱动模型参数,实现对物理实体运行状态的精确映射、故障预演和性能优化。讨论了标准化的模型交换格式(如FMI/FMU)在系统集成中的作用。 本书的特色在于其高度的工程实践导向性,每一个理论章节后都紧跟着关键的工程案例分析,展示了从概念提出、理论计算到仿真验证、最终工艺实现的完整路径。它要求读者不仅掌握传统机械原理,更需具备跨学科的知识储备,以应对未来制造业对高可靠性、高智能化机械设备的需求。

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读后感

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用户评价

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我拿到这本教材时,首先关注的就是它内容的深度和广度是否能跟上当前工业界的发展步伐。坦白说,机械设计领域日新月异,很多老旧的教材往往停留在上个世纪的工艺水平。然而,这本书在引入新技术方面做得相当出色。它没有固步自封于传统的螺栓连接和齿轮设计,而是花了相当大的篇幅去探讨了现代制造技术对设计的影响,比如增材制造(3D打印)在原型制作和功能集成方面的应用案例分析,这一点令我非常惊喜。更值得称赞的是,它在“可靠性设计”这一环的论述,不再是简单地套用安全系数,而是深入讲解了基于概率的可靠性评估方法,结合了大量的统计数据和故障树分析,这对于想往高端装备研发方向发展的工程师来说,无疑是宝贵的财富。书中穿插的“设计陷阱”和“优化思路”小栏目,更是点睛之笔,它们像是经验丰富的老前辈在耳边悄悄指点,能帮读者避开许多常见的思维定势和设计误区,使得学习过程充满了实践的代入感,让人感觉不是在读一本枯燥的理论书,而是在跟随一位大师进行实战演练。

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这本书的习题设计简直是良心之作,完全摆脱了那种重复计算、毫无新意的套路。我发现它的练习题分为三个层次:基础巩固、综合应用和创新挑战。基础题确保了基本公式的熟练掌握,但真正的价值在于后两个部分。综合应用题往往是半开放式的,比如要求设计一个特定的机构,并要求给出至少两种不同的实现方案进行比较分析,这迫使读者必须跳出书本上的固定案例,进行批判性思考和方案选择。而“创新挑战”部分则更像是一个微型的设计竞赛,它往往会设置一些现实中难以完美满足的约束条件(例如,要求在保证强度的同时,将重量减少30%),引导我们去探索极限工艺和材料的边界。完成这些习题后,我感觉自己的工程直觉得到了极大的锻炼,不再是机械地套用公式,而是开始形成一种“设计思维”。而且,书后提供的参考答案和详细的解题步骤,尤其是在关键步骤上的解释,非常到位,让我清楚地知道自己在哪个环节的思路出现了偏差,有效地进行了自我修正。

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这本书的装帧设计实在是让人眼前一亮,封面那简约又不失专业感的深蓝色调,配上烫金的字体,拿在手里感觉分量十足。我尤其欣赏它在排版上的用心,内页纸张的质感非常细腻,阅读起来触感舒适,长时间翻阅也不会感到眼睛疲劳。当然,光有好看的外表是不够的,内容的编排同样是重中之重。我发现它在章节划分上做了精心的布局,从最基础的材料力学原理,到后期的复杂机构设计,逻辑链条非常清晰,层层递进,让人能够很顺畅地跟上作者的思路。比如,在讲解应力集中问题时,作者不仅仅是罗列公式,而是结合了几个实际的工程案例,用图示的方式把那些抽象的概念具象化了,这对于初学者来说无疑是极大的帮助。我记得我以前看其他教材时经常需要反复查阅专业词汇表,但这本书的术语解释非常精准且及时,几乎没有让人感到困惑的地方。而且,书后的附录部分也十分详尽,包含了常用标准件的详细尺寸和材料性能参数表,这些都是我们平时设计工作中经常需要对照查阅的“小宝典”。总而言之,这本书在视觉体验和阅读舒适度上做到了专业与美学的完美平衡,让人愿意拿起它,也更愿意沉下心去钻研其中的知识。

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我个人对这本书的“案例分析”模块情有独钟,这部分内容是检验一本书是否“真材实料”的关键。这本书没有采用那种空泛的理论堆砌,而是选取了几个不同行业、不同复杂度的实际产品作为解剖对象。例如,它对一个精密机床主轴系统的剖析,不仅仅停留在结构画图,而是深入到了材料的选择依据、关键轴承的选型计算、动平衡校核的流程,甚至包括了热误差补偿的初步设计思路。更难得的是,它在分析过程中,坦诚地展示了设计决策背后的权衡与妥协,比如在成本、重量、刚度和制造可行性之间的博弈过程。这种“透明化”的分析过程,对于我们这些刚踏入职场的工程师来说,是无比宝贵的经验。它教会了我,工程设计从来不是一个追求“最优解”的过程,而是一个在多重矛盾约束下寻求“最佳可行解”的艺术。通过这些详实的案例,我感觉自己对机械设计这门学科的理解不再停留在纸面,而是有了更贴近真实工厂车间和研发实验室的“实战感”。

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从一个需要通过自学来弥补课堂知识的非科班出身人士的角度来看,这本书的“可教性”达到了极高的水准。很多专业书籍动辄就是大段的纯文字推导,让人望而生畏,但这本书的作者显然深谙教学之道。他们采用了一种“问题导向型”的教学模式,每一章都以一个具体的工程难题开篇,比如“如何设计一个高效率的减速箱”或者“如何保证悬臂梁在交变载荷下的疲劳寿命”。这样的切入点立刻抓住了读者的注意力,因为我们学习知识的最终目的就是要解决实际问题。然后,作者才循序渐进地引入支撑该问题解决所需的理论知识,这使得知识点不再是孤立的,而是带着明确的“为什么学”的目标去吸收的。此外,书中大量的流程图和决策树图表,极大地简化了复杂的设计流程。我特别喜欢它对设计规范和标准解读的方式,它不会直接照搬国标原文,而是用大白话解释其背后的工程意图,让读者明白“为什么必须这样做”,而不是仅仅“要这样做”。这种教学设计极大地降低了跨专业的学习门槛。

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