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出版者:Springer

作者:Christian Laugier

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2008-06-06

价格:USD 149.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540754039

丛书系列:

图书标签:

• Robotics
• Field Robotics
• Service Robotics
• Autonomous Systems
• Mobile Robots
• SLAM
• Navigation
• Perception
• Computer Vision
• AI

《现代工程材料与结构设计》 内容提要 本书旨在为工程师、材料科学家以及高年级本科生和研究生提供一个全面且深入的视角，涵盖现代工程领域至关重要的材料科学基础、先进材料的特性、以及结构设计的核心原理与应用。本书的重点在于连接材料的微观结构、宏观性能与实际工程应用之间的桥梁，强调在复杂载荷和环境条件下进行可靠、高效结构设计的理论框架与实践方法。 第一部分：工程材料基础与本征特性 第一章：工程材料的分类与组织结构 本章首先对金属、陶瓷、聚合物及复合材料等主要工程材料类别进行系统划分和介绍。重点阐述材料的微观结构——从晶体结构（点阵缺陷、位错）到非晶态结构——如何决定其宏观力学和物理性能。我们将深入探讨相变动力学、晶粒尺寸对材料强度的影响（Hall-Petch关系），以及如何通过热处理和加工工艺来调控微观结构以实现所需的性能目标。 第二章：机械性能的定量分析 本章聚焦于材料的关键力学性能指标。内容包括弹性、塑性变形的本构关系，屈服准则（如Tresca和Von Mises标准）。对拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等基本加载情况下的应力-应变响应进行详细分析。疲劳和蠕变是本章的重点，讨论低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）的机制，如Basquin、Coffin-Manson关系，以及Creep的三个阶段（瞬时、稳态、加速）及其在高温结构设计中的意义。断裂韧性的概念，包括线性弹性断裂力学（LEFM）中的应力强度因子（$K_I, K_{II}, K_{III}$）和断裂韧性（$K_{IC}$）的测定方法。 第三章：先进材料的物理与化学特性 本章涵盖了除传统结构材料之外的特种材料。详细讨论功能梯度材料（FGM）的梯度设计原理及其在热应力控制中的应用。对导电、导热材料的电子结构和晶格振动理论进行回顾。重点分析智能材料，如压电材料、磁致伸缩材料和形状记忆合金（SMA）的热力学驱动机制，及其在传感器和执行器中的应用。同时，对生物相容性材料的表面化学和界面行为进行探讨。 第二部分：结构设计与性能预测 第四章：工程结构中的应力分析与校核 本章回归经典结构力学，但侧重于现代复杂结构中的应力状态评估。内容包括二维和三维应力状态下的 Mohr 圆分析，以及应力集中现象在几何突变处的影响。我们将深入探讨梁、柱和壳体结构的屈曲行为，包括欧拉公式的适用范围和非线性屈曲分析的基础。结构可靠性设计中的失效概率评估方法，如First-Order Reliability Method (FORM) 和 Monte Carlo 模拟的引入。 第五章：连接技术与结构完整性 现代工程结构往往依赖于先进的连接技术。本章详细分析焊接、铆接、粘接和复合材料的层间连接的力学行为。焊接接头的残余应力分布和热影响区（HAZ）的材料性能退化是重点。对粘接界面的剪切和拉伸载荷下的失效模式进行分析，并引入损伤容限设计（Damage Tolerance）的概念，评估结构在存在缺陷情况下的剩余寿命。 第六章：复合材料结构的设计原则 复合材料因其高比强度和比刚度，在航空航天和汽车工业中应用日益广泛。本章专门讨论层压板的经典层合板理论（Classical Lamination Theory, CLT），包括刚度矩阵（[A], [B], [D] 矩阵）的推导。重点分析由不同铺层角度引起的耦合效应（拉伸-弯曲耦合）。讨论纤维/基体界面的载荷传递效率，以及复合材料特有的失效模式，如分层、基体开裂和纤维断裂，并介绍 Tsai-Wu、Hashin 等失效准则在工程判断中的应用。 第七章：热力耦合与环境效应 结构运行环境往往涉及复杂的热载荷。本章处理热应力与机械应力的耦合问题。讨论材料的热膨胀特性与结构约束之间的相互作用，以及热梯度引起的内部应力分布。同时，探讨材料在极端环境中的行为，如材料的氧化、腐蚀（电化学腐蚀原理）、应力腐蚀开裂（SCC）的机制，以及紫外线或高能辐射对聚合物和复合材料性能的长期影响。 第八章：优化设计与制造约束 结构设计不再是单一的强度校核，而是多目标优化问题。本章引入拓扑优化（Topology Optimization）的基础理论，展示如何利用密度法或水平集方法在给定载荷和边界条件下确定最优材料分布。讨论制造工艺对设计可行性的约束，例如增材制造（3D打印）带来的残余应力和微结构各向异性问题，以及如何将制造约束反馈至初始设计迭代中，实现设计-制造一体化（DfM）。 结语 本书通过对材料科学前沿与严谨的结构力学相结合，旨在培养读者在面对新材料、新结构和复杂运行环境时，具备系统化的问题解决和创新设计能力。所涵盖的主题面向高性能、轻量化和高可靠性的现代工程需求。

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