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出版者:第1版 (2002年12月1日)

作者:李国成

出品人:

页数:121 页

译者:

出版时间:2002年12月1日

价格:12.00元

装帧:平装

isbn号码:9787563617111

丛书系列:

图书标签:

• 化工设备
• 设备设计
• 力学基础
• 机械设计
• 压力容器
• 传热设备
• 分离设备
• 强度计算
• 材料力学
• 有限元分析

精密制造中的材料行为与结构可靠性：面向先进工艺的力学基础 书籍概述： 本书旨在深入探讨现代精密制造领域中，复杂材料在极端应力状态下所表现出的力学特性，并着重于如何利用先进的计算模拟和实验验证手段，来预测和确保关键工程部件的结构完整性与长期可靠性。我们聚焦于那些对尺寸效应、表面完整性和微观组织演变高度敏感的制造过程，例如增材制造（3D打印）、精密冷/热加工、以及薄膜沉积技术。 本书的叙事逻辑遵循从微观到宏观，从本构关系建立到系统级失效分析的路径。它不仅仅是传统材料力学或固体力学的延伸，而是将这些基础理论与现代制造工艺对材料提出的独特挑战相结合的产物。 第一部分：先进材料的本构理论与尺度效应 第一章：高精度尺度下的应力-应变描述与张量分析的深化 本章首先回顾了经典弹性、粘弹性与粘塑性理论在描述传统工程材料时的局限性，特别是在涉及高应变率、非均匀温度场以及微纳尺度结构时。我们引入了连续介质力学的高阶理论，如梯度理论（Gradient Theory），用以捕捉材料内部微观结构（如晶粒边界、缺陷簇）对宏观力学响应的反馈作用。重点讨论了柯西应力张量、第一与第二拉格朗日应力张量在描述大变形问题中的适用性差异，并详细阐述了如何利用微分几何工具处理极端几何非线性的材料行为。 第二章：面向增材制造的材料本构模型：微观结构演化与残余应力 增材制造（特别是选区激光熔化SLM和电子束熔化EBM）引入了极速的加热与冷却速率，导致材料凝固过程中的微观结构（如柱状晶的形成与取向）与宏观力学性能之间存在强烈的耦合。本章构建了适用于描述快速凝固和相变的非等温、非线性粘塑性模型。关键内容包括： 1. 动态晶体塑性（DCP）模型： 详细分析了在快速冷却过程中，位错运动与孪晶的激活机制，特别是针对镍基高温合金和高熵合金的晶体取向对疲劳性能的影响。 2. 热-力-冶金耦合： 建立了描述液相、固相转变区内材料流动与固化的连续性方程，并引入了热历史对后续力学性能（如硬化率）的记忆效应。 3. 残余应力预测： 通过耦合热传导方程和变形梯度，精确计算了多层累积过程中的三维残余应力场分布，这对于后续的机械加工和服役稳定性至关重要。 第三章：薄膜与界面力学：表面能与界面本构 在微电子、光学镀膜和功能涂层领域，材料的力学性能往往由界面和表面决定。本章深入研究了界面处的应力奇异性问题，并引入了界面本构关系来描述界面处的能量耗散与塑性流动。讨论了范德华力、吉布斯自由能与界面应力之间的关系，特别关注了多层异质结构中，由于晶格失配或热膨胀系数差异引起的内应力集中与脱粘现象的判据。 第二部分：结构可靠性分析与先进数值方法 第四章：损伤力学与疲劳寿命预测：从连续损伤到微裂纹萌生 本章超越了传统的应力强度因子概念，着重于材料内部损伤的累积过程。引入了基于能量释放率和相场（Phase-Field）模型的损伤演化方法。 1. 连续介质损伤模型（CDM）： 阐述了标量损伤变量和张量损伤变量在描述各向异性损伤（如层压板或纤维增强复合材料）中的应用。 2. 疲劳裂纹扩展的微观机制： 重点分析了低周和高周疲劳载荷下，裂纹萌生与扩展的物理过程。利用等效应力参数（如应力偏量不变性）来统一描述不同载荷路径下的疲劳累积。 3. 断裂韧度的量化： 探讨了在小尺寸效应显著的构件中，如何利用J2-积分或等效体积平均应力场来评估断裂韧性。 第五章：计算力学高级技术：从有限元到非连续模拟 本章聚焦于解决复杂几何和非均匀材料问题的数值工具。 1. 非线性有限元（FEA）的高级应用： 详细解析了隐式与显式时间积分方案在处理冲击、塑性流动和接触问题时的稳定性与精度权衡。讨论了自适应网格细化（AMR）技术在捕捉高梯度应力场（如冲击波或裂纹尖端）中的优势。 2. 离散元法（DEM）与粘聚力模型（CCM）： 针对粉末压制成型、颗粒材料流动以及材料破碎问题，引入了DEM方法。重点讲解了如何将颗粒间的粘聚力模型参数与实际材料的粘结强度相关联。 3. 耦合模拟与多尺度方法： 介绍了如何通过迭代或直接耦合的方式，将微观尺度的晶体塑性模拟结果（如晶粒尺度的应力分布）作为宏观有限元分析的输入参数，实现跨尺度的准确预测。 第三部分：制造过程中的热力耦合与优化 第六章：极端载荷下的冲击动力学与超材料行为 本章考察材料在极高应变率（$dot{epsilon} > 10^4 ext{s}^{-1}$）下的响应，这在碰撞防护、爆炸成型和高速切削中至关重要。介绍了霍普金森杆实验数据在校准高速率粘塑性模型中的应用，并探讨了材料的动态屈服、剪切带的形成与抑制机制。此外，本章还涉及结构化材料（如蜂窝或泡沫）在冲击下的能量吸收机制分析。 第七章：热机械耦合下的工艺仿真与优化 制造过程中的热效应常常是决定最终产品几何精度和内在缺陷的关键因素。本章详细讨论了如何建立精确的热-力学耦合模型，用以预测热塑性变形和冷却过程中的应力演变。内容包括： 1. 焊接与定向凝固的残余变形预测： 针对大型结构件的焊接过程，采用体积热源模型和考虑材料相变的有限元分析流程。 2. 热机械疲劳（TMF）分析： 探讨了周期性温度变化与机械载荷叠加作用下的疲劳寿命衰减，这对于燃气轮机叶片和核反应堆部件的评估至关重要。 3. 正向设计与逆向工程： 利用优化算法，根据期望的最终尺寸和残余应力分布，反向推导所需的工艺参数（如扫描速度、热输入量或预紧力）。 总结与展望： 本书的最终目标是为工程师和研究人员提供一套系统的理论框架和实用的计算工具，用以理解和控制现代制造过程中材料的复杂力学行为。通过对本构理论的深化、先进数值方法的应用以及对尺度效应的精确刻画，读者将能够设计出更可靠、性能更优异的精密工程结构。未来，本书讨论的重点将进一步扩展到材料异质性、人工智能辅助下的材料模型识别以及多物理场耦合驱动下的智能制造系统。

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这本书的语言风格，初看之下略显严肃，但细品之下，却蕴含着一种严谨的学术魅力和一丝不苟的工匠精神。作者的叙述风格非常克制，很少使用华丽的辞藻，每一个词语的选择都精确地服务于物理意义的传达。特别是对于那些涉及非线性问题的讨论，其表述的精确性令人印象深刻。它没有试图用过于简化的语言来“讨好”读者，而是要求读者付出相应的专注力，这种对知识纯粹性的坚持，使得这本书的学术价值得以保证。我发现，当我在解决一个实际设计难题时，这本书中某些看似冗长的理论推导，反而成了我寻找突破口的底层逻辑支撑。它不是那种可以快速浏览的读物，而是一本需要耐下心来，逐字逐句揣摩，才能真正领悟其精髓的“内功心法”。

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这本书的配套资源与内容组织，展现了编辑团队的专业素养。章节末尾的习题设计，绝非简单的数字代换，而是紧密围绕化工生产中的常见瓶颈和疑难点展开，许多题目本身就构成了一个小型的设计挑战。更值得称赞的是，书中穿插的“工程案例剖析”模块，它们如同一个个微缩的工程档案，详细记录了从初始设计参数到最终结构选型的全过程。这些案例的选取非常贴合行业前沿，例如对新型复合材料在极端温度下的力学性能评估，这些内容在其他教材中是很难找到的。这使得整本书的实用性和前瞻性得到了极大的提升，它不仅仅是在教授“如何计算”，更是在教导“如何思考一个合格的化工设备工程师应该如何布局和决策”。

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翻开这本书，最直观的感受就是其内容的深度和广度达到了一个非常高的水准。它不仅仅停留在教科书的层面，更像是一本融合了多年工程经验的实践手册。书中对各种典型化工设备——比如高压反应釜、精馏塔、换热器等——在极端工况下可能面临的疲劳、蠕变和腐蚀问题，都有详尽的力学模型建立过程。我特别留意了关于薄壁容器的屈曲分析那一章，作者没有仅仅给出结论性的公式，而是细致地推导了边界条件对临界载荷的敏感性，甚至还引用了几个经典的失效案例进行反向验证。这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，极大地提升了读者对设备安全系数设定的理解深度。阅读过程中，我感觉自己不再是被动地接受知识点，而是主动地参与到工程师的思维构建过程中，每一次翻页都像是对工程挑战的一次深入剖析。

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从排版和阅读体验上讲，这本书的细节处理体现了极高的专业水准。图表的质量清晰度极高，无论是应力云图还是载荷分布示意图，线条的粗细和颜色的区分都恰到好处，确保了复杂信息的有效传达，完全没有传统教材中那种模糊不清的扫描件质感。此外，书中的术语注释系统设计得十分人性化，对于首次出现的专业名词，作者总会用括号在后面附上一个简明的操作性解释，这极大地减少了读者在查阅词典和参考资料上的时间成本。这种对读者学习路径的细致关怀，使得学习过程中的挫败感大大降低，让人更有动力去啃下那些硬骨头，可以说，这本书在提升学习效率和阅读舒适度之间，找到了一个非常精妙的平衡点。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，厚实的封面材质，搭配着烫金的书名，透着一股沉稳而专业的范儿。内页的纸张选择也相当考究，不是那种廉价的雪白，而是略带米黄的色调，长时间阅读眼睛也不会感到疲劳。章节的编排逻辑清晰得像一张精密的流程图，从最基础的材料力学原理入手，逐步深入到实际工程中的应力分析和结构优化，每一步的衔接都自然流畅，绝没有那种生硬的跳跃感。尤其是那些复杂的公式和图解部分，排版得恰到好处，既保证了信息的完整性，又没有让页面显得过于拥挤。我尤其欣赏作者在引入新概念时所采用的类比手法，他们似乎总能找到一个生活化的、与工程背景紧密相关的例子来辅助说明抽象的力学现象，这对于我们这些初学者来说，无疑是架起了一座从理论到实践的坚固桥梁。

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