具体描述
This richly illustrated text reflects the experiences and philosophy of the author as is presented in his introductory course, Fundamentals of Mechanical Engineering, currently being taught at Iowa State University. Dr. Wickert introduces students to the vocabulary, skills, applications, and excitement of the mechanical engineering profession. The text balances problem solving skills, communications skills, design engineering analysis, real world applications and practical technology.
好的，这是一份关于一本名为《机械工程导论》的图书的详细简介，内容完全聚焦于其他可能的机械工程主题，避免提及您提供的书名及其内容： --- 《现代工程技术核心：动力、材料与设计基础》 导言：驱动世界的工程哲学 本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代工程技术基础框架，特别侧重于机械系统、先进材料的性能分析，以及复杂系统的设计与优化方法。我们相信，理解驱动现代工业和日常生活的核心原理，是任何技术人员迈向专业领域的基石。本书将带领读者穿越从宏观系统集成到微观材料行为的广阔领域，聚焦于那些赋予机器运动、承载负荷并实现特定功能的关键科学与工程原理。 第一部分：机械系统的动力学与控制 本部分深入探讨了物体如何运动、受力以及如何精确地控制这些运动。这不仅是理解任何机械设备（从汽车引擎到精密机器人）运行的关键，也是进行结构完整性和系统可靠性分析的前提。 第1章：刚体动力学基础与运动分析 本章首先回顾了牛顿运动定律在工程学中的应用，重点分析了具有质量和惯性的物体的运动轨迹。我们详细讨论了平面运动和空间运动的数学描述，包括角速度、角加速度的矢量表示法。 1.1 质点动力学与动量守恒： 分析碰撞、爆炸等瞬时力作用下的系统行为。 1.2 刚体运动的欧拉公式： 深入探讨绕任意轴旋转的复杂运动学，为陀螺仪和飞轮的分析奠定基础。 1.3 瞬时轴与旋转矩阵： 使用先进的坐标变换技术来简化复杂多自由度系统的分析过程。 第2章：振动学与系统响应 振动是机械设计中必须面对的核心问题。本章系统地介绍了单自由度、多自由度和连续系统（如梁和杆）的自由振动与受迫振动。 2.1 阻尼理论： 详细区分粘性阻尼、库仑阻尼和材料阻尼，并引入对数减衰率的概念。 2.2 频率响应函数与共振现象： 分析外部激励（如地震、机器不平衡）对系统稳定性的影响，并介绍如何通过修改系统参数（如增加刚度或改变质量比）来避免危险的共振频率。 2.3 模态分析基础： 利用特征值问题确定系统的固有频率和振型，这是进行故障诊断和结构优化的基础工具。 第3章：反馈控制系统原理 现代机械系统，无论是伺服电机还是自动化生产线，都依赖于精确的控制。本章引入了控制理论的核心概念。 3.1 系统的时域与频域表示： 使用传递函数（拉普拉斯变换）描述线性时不变（LTI）系统的动态特性。 3.2 PID 控制器的设计与整定： 详述比例、积分、微分三个参数在消除稳态误差和改善瞬态响应中的作用，并介绍Ziegler-Nichols 等经典整定方法。 3.3 系统的稳定性分析： 利用劳斯-赫尔维茨判据和波德图来评估系统的稳定性边界。 第二部分：先进材料科学与结构完整性 机械系统的性能最终受限于其所使用的材料。本部分超越了简单的材料力学，聚焦于如何理解、选择和处理能够在极端条件下可靠工作的材料。 第4章：材料的微观结构与宏观性能 本章追溯了材料性能的根源，从晶体结构到宏观力学响应的演变。 4.1 晶体结构与晶界效应： 解释体心立方（BCC）、面心立方（FCC）等结构如何影响金属的塑性和韧性。 4.2 相图解读与热处理基础： 重点分析铁碳合金相图，并详细阐述退火、正火、淬火和回火等关键热处理工艺对材料硬度、强度和韧性的影响。 4.3 聚合物与复合材料的本构关系： 介绍粘弹性行为，并分析纤维增强复合材料（如碳纤维/环氧树脂）在各向异性载荷下的应力分布。 第5章：疲劳、蠕变与断裂力学 结构失效是工程领域最严重的风险之一。本章专注于分析材料在长期服役条件下的寿命预测和失效机制。 5.1 疲劳损伤的累积模型： 详细介绍S-N曲线（Wöhler曲线），并引入Miner线性累积损伤法则进行寿命预测。 5.2 裂纹扩展与断裂韧度： 引入线弹性断裂力学（LEFM），重点分析应力强度因子 $K_I$ 和断裂韧度 $K_{IC}$，这是评估带缺陷结构安全性的核心参数。 5.3 高温下的蠕变行为： 研究材料在高温和恒定载荷下随时间发生的不可逆变形，以及如何利用Norton定律进行寿命评估。 第6章：先进制造材料与表面工程 本章关注现代制造技术对材料特性的影响，以及如何通过表面处理来提高部件的服役性能。 6.1 增材制造（3D打印）材料的选择与挑战： 探讨金属激光熔融（SLM）过程中引入的残余应力和微观孔隙率对最终性能的影响。 6.2 表面改性技术： 深入研究渗碳、渗氮、离子注入等技术如何改变材料表层化学成分，从而显著提高耐磨性和抗腐蚀能力。 第三部分：机械系统的设计、优化与流体相互作用 本部分将理论知识应用于实际设计问题，关注如何将不同组件集成到一个功能完善的系统中，并分析流体对结构的影响。 第7章：机械元件设计与选型 本章提供了一套系统的设计流程，用于可靠地选择和尺寸化关键机械元件。 7.1 传动装置的设计与效率分析： 齿轮（直齿、斜齿、锥齿）的几何设计、强度校核（弯曲和接触应力），以及蜗轮蜗杆系统的自锁特性分析。 7.2 滚动与滑动轴承的润滑理论： 介绍埃克特-雷诺兹方程（Reynolds Equation）的简化形式，用于计算在油膜压力下的轴承承载能力和温升。 7.3 联接件设计： 螺栓联接的预紧力计算、静载与交变载荷下的疲劳许用应力确定。 第8章：计算方法在工程中的应用 现代机械设计离不开计算工具。本章侧重于数值方法，特别是有限元分析（FEA）的应用。 8.1 有限元方法的离散化理论： 解释如何将连续的物理问题（如应力分布）分解为有限数量的单元和节点，并推导能量泛函的最小化过程。 8.2 网格划分策略与误差控制： 讨论如何选择合适的单元类型（四面体、六面体）和网格密度，以平衡计算精度与求解时间。 8.3 接触分析与非线性问题： 探讨在冲压、装配或摩擦接触面中，如何使用迭代算法处理非线性边界条件。 第9章：流体力学与热力学在系统中的耦合 机械系统常常涉及能量转换和流体流动。本章强调流体与固体的相互作用（FSI）以及热管理。 9.1 粘性流体流动与边界层理论： 讨论雷诺数对流动状态（层流、湍流）的影响，并介绍边界层分离对舵面或管道内部流动的影响。 9.2 传热机理的综合应用： 结合导热、对流和辐射，分析热交换器和发动机部件的热负荷分布。 9.3 热应力分析： 当材料经历温度梯度时，如何利用材料的热膨胀系数和杨氏模量来预测由此产生的内部应力，防止热形变或开裂。 结论：面向未来的系统集成能力 本书的最终目标是培养读者将上述独立知识模块融合成一个完整设计方案的能力。从材料的微观晶格到系统的动态响应，再到最终的制造限制，本书提供了一个全面的视角，使读者能够成为能够解决复杂、多物理场耦合问题的未来工程师。
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