铸造和凝固过程数值模拟新进展 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:金俊泽

出品人:

页数:714

译者:

出版时间:2007-8

价格:398.00元

装帧:

isbn号码:9787561136874

丛书系列:

图书标签:

• 铸造
• 凝固
• 数值模拟
• 金属材料
• 计算流体力学
• 传热学
• 相变
• 有限元法
• 计算机辅助设计
• 材料科学

图书名称：《先进材料的计算建模与仿真：从微观到宏观》 内容简介： 本书聚焦于现代材料科学与工程领域中，利用先进计算方法对材料性能、结构演化及其加工过程进行深入理解和预测的前沿研究。全书旨在系统梳理和介绍当前计算建模与仿真技术在先进材料体系中的应用现状、关键挑战与未来发展方向，特别强调多尺度、多物理场耦合的仿真策略。 第一部分：计算基础与方法论 本部分首先回顾了材料科学计算模拟的理论基础，重点阐述了支撑当前研究的主流计算范式。 第一章：计算材料学的基本框架与多尺度建模 详细介绍了从原子尺度到宏观尺度的计算方法体系，包括量子力学计算（如密度泛函理论DFT）、分子动力学模拟（MD）及其在热力学、晶体结构预测中的应用。重点讨论了如何有效地连接不同尺度的信息，特别是介观尺度的蒙特卡洛（MC）方法、相场法（Phase Field）的数学基础及其在描述微观结构演变中的优势。阐述了加速计算和高性能计算（HPC）在处理大规模材料体系模拟中的重要性，包括并行化策略和高效算法的实现。 第二章：连续介质力学与有限元分析（FEA）的深化应用 深入探讨了在宏观尺度上描述材料行为所需的连续介质力学理论。本章详述了弹塑性本构关系（包括各向同性、晶体塑性模型）的建立、应力-应变分析的数值实现。特别关注了损伤力学和断裂力学的引入，如内聚力模型（Cohesive Zone Models, CZM）在模拟界面分离和裂纹扩展中的应用。同时，解析了求解非线性偏微分方程组的数值技术，如牛顿-拉夫逊迭代法的收敛性控制，以及如何为FEA模型提供精确的材料输入参数。 第二部分：先进材料结构的微观动力学与相变 本部分集中于利用计算工具解析决定材料功能性的微观结构和动态过程。 第三章：晶体缺陷、扩散与界面动力学 系统分析了位错、空位、间隙原子等晶体缺陷在材料变形与辐射损伤中的作用。通过分子动力学和位错动力学（DD）模拟，揭示了位错源、交滑移、缠结等复杂过程对材料力学性能的影响机制。同时，深入讨论了原子扩散理论，重点介绍了在复杂多组分体系中计算扩散系数的方法，以及如何通过计算模拟来指导对扩散退火、烧结等热处理过程的优化。对晶界、孪晶界等二维界面的结构能、迁移率进行了详细的计算分析。 第四章：固态相变的时空演化模拟 本章聚焦于材料的微观结构如何通过相变过程实现重构。详细介绍了利用相场法（Phase Field Modeling）对析出、共晶、马氏体相等复杂相变过程的建模技术，包括自由能泛函的选择、形貌演化的动力学方程求解。结合相场与有限元方法的耦合，展示了如何将微观相变信息反馈到宏观力学响应中。此外，还探讨了退火、时效过程中多组分合金中扩散相变的协同作用。 第三部分：功能材料的计算设计与性能预测 本部分侧重于计算模拟在新型功能材料开发和特定环境响应预测中的应用。 第五章：电磁耦合与热力耦合在电子材料中的应用 阐述了如何将电场、磁场与材料结构、温度场耦合起来进行仿真。在半导体材料中，详细讨论了载流子输运模型的建立，包括漂移-扩散方程和玻尔兹曼输运方程的数值解法，用以预测器件的工作特性。在磁性材料方面，介绍了利用伊辛模型（Ising Model）或海森堡模型（Heisenberg Model）结合蒙特卡洛模拟来预测居里温度、磁畴壁运动等宏观磁学现象。重点分析了压电、热释电材料中应力-电场耦合的数值实现。 第六章：复合材料与梯度材料的结构优化 针对先进结构材料，本章着重于界面设计和性能增强。系统介绍了用于模拟纤维增强复合材料（如碳纤维、陶瓷基复合材料）的代表性单元（RVE）构建方法，并利用FEA模拟纤维与基体间的载荷传递、界面脱粘行为。对于梯度功能材料（FGMs），阐述了如何根据梯度规律（如幂律、指数律）定义材料属性，并使用有限元法求解其在复杂载荷或温度梯度下的热应力分布和失效模式。 第七章：极端环境下的材料响应 探讨了材料在高温、高应变率、腐蚀等极端条件下的行为模拟。在高温力学方面，引入了蠕变本构模型和损伤演化方程，利用时间尺度分离技术（如加速MD或激活跳越理论）来预测长期可靠性。在高应变率加载（如冲击、爆炸）中，详细分析了Johnson-Cook等经验模型在FEA中的应用，以及材料内部的应变梯度塑性理论在描述小尺度效应中的优势。同时，涉及了计算腐蚀和电化学反应的耦合模型，用以评估材料在复杂化学环境下的寿命。 总结与展望 本书最后总结了当前计算材料学面临的瓶颈，例如高保真模型的参数获取、跨尺度信息的无缝传递、以及人工智能与机器学习在加速材料性能预测中的潜力。强调未来计算工作将更侧重于“正向设计”——即根据期望的宏观功能，反向推导出所需的微观结构和成分，实现材料的自主设计。 本书的目标读者 本书适合于材料科学、机械工程、航空航天、物理学等领域的研究生、青年科研工作者，以及从事先进材料设计与工艺优化的工程师和技术人员。它既可作为高年级本科生或研究生关于计算材料学课程的教材或参考书，也是希望将先进数值仿真技术应用于实际工程问题的专业人士的必备参考。

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这本书，说实话，内容编排上还是挺有意思的，尤其在对现有理论的梳理和前沿技术的引入上，看得出作者是下了不少功夫的。比如说，它对于某些经典铸造缺陷的成因分析，就不仅仅停留在教科书的层面，而是深入到了更微观的尺度，引入了一些最新的计算材料学模型。读起来感觉就像是和一位经验丰富的老工程师在探讨问题，他会告诉你“为什么会这样”，而不是简单地告诉你“应该这么做”。尤其是在描述不同合金体系在凝固过程中的相变动力学时，那种细节的把握非常到位，对于需要精确控制产品性能的研发人员来说，绝对是本案头必备的参考书。它并没有过多地纠缠于那些基础到人人皆知的公式推导，而是把精力放在了如何将这些复杂的数学模型有效地转化为可操作的工程应用上，这一点处理得非常成熟和得体。整体来看，这本书在理论深度和工程实践的结合点上，找到了一个非常好的平衡点。

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这本书的排版和图表质量确实值得称赞。很多复杂的物理过程，如果仅仅依靠文字描述，读者很容易产生理解上的偏差，但这本书在这方面做得非常出色。大量的彩色模拟结果图、详细的流程示意图，以及对比试验的直观展示，极大地降低了理解复杂计算结果的门槛。我特别欣赏它在案例分析部分的处理方式。它不仅仅是展示一个成功的模拟结果，而是会细致地剖析在模拟过程中，哪些输入参数对最终结果的影响最大，以及如何通过后处理技术来挖掘出数据背后的物理意义。这种注重“可读性”和“应用性”的编辑思路，让一本技术性极强的书籍读起来不至于枯燥乏味。它仿佛在手把手地教你如何“看懂”模拟的语言，而不仅仅是“运行”一个程序。

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不得不说，这本书的视野非常开阔。它没有将模拟技术局限在单一的铸造环节，而是将视角拉高到了整个“工艺链”的层面进行考量。例如，它探讨了模拟结果如何反哺到前期的材料设计阶段，以及如何与后期的机械加工性能预测进行联动。这种系统性的思维方式，对于现在推崇数字化车间和智能制造的趋势来说，无疑是极具前瞻性的。阅读过程中，我感受到了作者对技术边界不断拓展的追求，书中对某些新兴的、尚未完全商业化的数值方法也有所提及，这无疑为希望走在行业前沿的读者指明了未来的研究方向。总的来说，它更像是一份为未来十年技术发展趋势准备的路线图，而非一本仅供参考的工具手册。

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从一个长期从事材料工艺优化的角度来看，这本书的价值在于其对“不确定性”处理的探讨。现代制造过程中，材料性能本身就存在分散性，传统的确定性模拟往往会给出一个过于理想化的预测。这本书中涉及到的概率论方法在模拟中的应用，以及如何将实验数据反馈到模型校准中的迭代过程，给了我极大的触动。它提供了一种更接近真实生产环境的思考框架，即如何通过模拟工具来量化工艺的鲁棒性，而不是仅仅追求一个“完美”的结果。这种从“理想化模型”向“工程化评估”的过渡，是很多现有文献所欠缺的深度。书中对特定时间点上温度场、溶质扩散的瞬态分析，特别是涉及到非线性材料行为时的数值稳定化策略，展现了作者深厚的工程物理功底。

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拿到这本新书时，我最直观的感受是它的视角非常“前沿”。它没有大篇幅地重复已经被广泛研究和报道过的内容，而是聚焦于当前数值模拟领域中那些尚未完全攻克的“硬骨头”。比如，书中对复杂模具内流场与传热耦合问题的求解策略进行了深入剖析，其中引用的某些新型网格划分技术和边界条件处理方法，是我在其他综述或教材中很少见到的。这使得内容极具启发性，让我开始思考，我们当前项目中的某些模拟瓶颈，是否可以通过调整参数设置或引入书中提到的新算法来有效突破。它的语言风格偏向于学术探讨，但逻辑结构清晰，每一步的论证都环环相扣，读完后有种豁然开朗的感觉。对于那些已经有一定模拟基础，渴望提升模型精度和效率的工程师来说，这本书无疑提供了很多“干货”和“新武器”。

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