Materials Enabled Designs

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出版者:Butterworth-Heinemann
作者:Pfeifer, Michael
出品人:
页数:320
译者:
出版时间:2009-5
价格:550.00元
装帧:HRD
isbn号码:9780750682879
丛书系列:
图书标签:
  • 设计
  • 材料
  • 材料设计
  • 创新设计
  • 材料科学
  • 工程设计
  • 产品设计
  • 设计方法论
  • 先进材料
  • 可持续设计
  • 跨学科设计
  • 制造工程
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具体描述

There are books aplenty on materials selection criteria for engineering design. Most cover the physical and mechanical properties of specific materials, but few offer much in the way of total product design criteria. This innovative new text/reference will give the "Big picture" view of how materials should be selected-not only for a desired function but also for their ultimate performance, durability, maintenance, replacement costs, and so on. Even such factors as how a material behaves when packaged, shipped, and stored will be taken into consideration. For without that knowledge, a design engineer is often in the dark as to how a particular material used in particular product or process is going to behave over time, how costly it will be, and, ultimately, how successful it will be at doing what is supposed to do. This book delivers that knowledge.

. Broad overview of the role of materials engineering in product design and manufacturing

. Offers a brief but comprehensive review of major materials functional groups (mechanical, electrical, thermal, chemical) by major material categories (metals, polymers, ceramics, composites) and their typical applications

. Invaluable guidance on materials selection criteria at early design stage, including such factors as functionality, durability, and, most importantly, availability

. Provides understanding of failure and reliability analysis in total materials selection process

. Insight into Life Cycle factors that affect choice of materials beyond simple performance specs, including manufacturability, machinability, shelf life, packaging, and even shipping characteristics

. Unique help on writing materials selection specifications

. Ample references to industry standards, compliance codes, regulatory issues and references for further study and information.

《材料赋能设计:结构、性能与未来展望》 本书聚焦于工程设计领域中,材料科学如何成为驱动创新和性能提升的核心力量。 我们深入探讨了传统设计范式向“材料驱动设计”转变的必要性与实践路径,旨在为工程师、设计师和材料科学家提供一个全面的认知框架和实用的技术指导。本书不涉及“Materials Enabled Designs”这一特定书名所涵盖的具体主题,而是着眼于材料特性与工程结构优化之间相互作用的普遍规律与前沿应用。 --- 第一部分:设计基础与材料选择的范式转变 本部分首先回顾了经典工程设计方法论,强调了在传统模式下,设计往往受限于已知的、标准化的材料性能区间。随后,我们引入了“材料赋能设计”(Material-Enabled Design, MED)的哲学基础,阐述了为何现代工程挑战(如极端环境适应性、超轻量化、能源效率提升)要求设计过程必须从材料的本征特性出发。 第一章:工程设计的演进:从结构约束到材料驱动 传统设计流程回顾:规范、迭代与折衷。 新范式的诞生:理解材料微观结构与宏观性能的直接关联。 案例分析:航空航天领域中材料特性如何定义结构极限。 第二章:理解材料的“语言”:从晶体结构到力学响应 深入解析金属、陶瓷、聚合物和复合材料的关键性能指标(强度、韧性、疲劳寿命、蠕变)。 先进表征技术简介:如何通过显微镜、光谱分析等手段精确量化材料性能。 材料选择的决策树:构建多目标优化下的材料筛选模型。 第三章:环境因素与可靠性工程 腐蚀、疲劳和断裂力学基础:材料在实际服役条件下的失效模式。 热力学与环境耦合效应:高温、低温及辐射环境对材料性能的长期影响。 生命周期评估(LCA)与材料选择:可持续性和可回收性纳入设计考量。 --- 第二部分:先进材料与结构设计的集成化方法 本部分着重于介绍新兴的先进材料,以及如何将这些材料的独特性能无缝集成到结构设计流程中,实现性能的突破。 第四章:复合材料的结构设计优化 层合板理论(Classical Lamination Theory, CLT)的深入应用。 纤维路径优化与应力分布控制:如何利用各向异性的特点最大化承载能力。 三维编织与功能梯度材料(FGMs)在复杂曲面结构中的应用潜力。 第五章:智能与功能性材料的设计集成 压电材料与形状记忆合金(SMAs):从被动承载到主动响应的转变。 电磁屏蔽与导热材料:在电子设备和热管理系统中的结构集成策略。 自修复材料:设计容错性结构,延长产品寿命。 第六章:增材制造(AM)对材料设计的影响 增材制造工艺(如SLM, EBM, SLA)如何改变材料的微观结构和残余应力分布。 拓扑优化与点阵结构设计:利用AM制造传统工艺无法实现的复杂几何形状。 “材料-工艺-结构”闭环控制:实现定制化材料性能的空间分布。 --- 第三部分:计算工具与未来设计前沿 本部分探讨了计算模拟和数据科学在材料赋能设计中的核心作用,并展望了未来设计领域的发展方向。 第七章:计算材料工程(CME)与多尺度模拟 从原子尺度到宏观尺度的多尺度建模技术(如DFT, MD, FEA的耦合)。 材料性能预测:利用机器学习加速材料筛选和性能回归分析。 数字孪生在材料服役状态监测与预测性维护中的应用。 第八章:拓扑优化与仿生学设计 生物启发结构:从自然界中学习高效的材料布局和承载机制(如骨骼、贝壳)。 密度法与水平集方法在结构轻量化中的应用,及其对材料制造可行性的反馈。 多物理场耦合优化:同时考虑热、力、电、流等多重载荷下的最优材料排布。 第九章:可持续性、循环经济与未来材料设计 从摇篮到摇篮的设计理念:材料的完全回收与再利用。 生物基材料与可降解聚合物在工程结构中的可行性分析。 面向未来极端环境(如深空、深海)的材料与结构设计挑战。 --- 总结:材料驱动设计的实践路线图 本书的结论部分提炼了材料赋能设计的关键步骤,强调了跨学科合作的重要性。成功的材料驱动设计不仅仅是选择一种“更好的”材料,而是通过对材料本征属性的深刻理解,重塑结构形态,从而实现性能、成本和可持续性的整体最优解。 本书为读者提供了一套系统的方法论,以应对当前和未来工程设计中最具挑战性的问题。 读者对象: 材料工程师、结构设计师、机械/航空航天/土木工程专业学生及研究人员、产品创新部门的技术人员。 全书特点: 理论深度与工程实践相结合,丰富的案例分析贯穿始终,致力于建立材料科学与工程应用之间的坚实桥梁。

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