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出版者:

作者:Madsen, David A./ Shumaker, Terence M.

出品人:

页数:456

译者:

出版时间:2009-1

价格:$ 131.53

装帧:

isbn号码:9780135000687

丛书系列:

图书标签:

• Civil Drafting
• Drafting Technology
• Civil Engineering
• CAD
• Technical Drawing
• Blueprint Reading
• Construction
• Architecture
• Design
• Engineering Technology

现代工程设计与自动化：面向未来的技术前沿 本书简介： 《现代工程设计与自动化》深入探讨了当代工程领域中，以数字化、智能化为核心的一系列关键技术及其在实际工程项目中的应用。本书旨在为工程技术人员、研究人员以及高年级学生提供一个全面而深入的视角，理解如何利用先进的计算工具、自动化系统和数据科学方法来优化设计流程、提高制造精度、并实现复杂系统的智能控制。 本书的结构围绕三大核心支柱展开：高级计算机辅助工程（CAE）、智能制造与机器人技术，以及系统集成与数据驱动决策。我们不仅关注工具本身的操作，更侧重于背后的理论基础、算法原理以及跨学科集成能力的培养。 --- 第一部分：高级计算机辅助工程（CAE）与数字孪生 本部分聚焦于如何利用强大的计算能力和先进的建模技术，从概念设计阶段就对工程系统的性能进行精确预测和优化。 第一章：参数化建模与拓扑优化 本章详细介绍了新一代参数化几何建模的核心理念。它超越了传统的几何实体创建，强调设计变量与约束条件之间的内在联系。我们将深入探讨基于特征（Feature-Based）和基于历史（History-Based）的建模策略，以及它们在应对复杂曲面和装配体时的优势与挑战。 随后的内容聚焦于拓扑优化（Topology Optimization）。读者将学习如何利用有限元分析（FEA）的基础理论，结合梯度下降法或密度法等优化算法，在给定的载荷和边界条件下，自动生成最优的材料分布结构。重点分析了在增材制造（Additive Manufacturing）背景下，如何将拓扑优化结果无缝转化为可制造的几何模型。 第二章：多物理场耦合仿真技术 现代工程问题往往涉及多个物理域的相互作用。本章系统地介绍了多物理场耦合仿真的必要性、挑战及解决方案。内容涵盖： 1. 流固耦合（FSI）：模拟流体动力对弹性或柔性结构的影响，例如风力涡轮机叶片或桥梁结构在风荷载下的动态响应。 2. 热机耦合：分析温度变化导致的材料性能变化和热应力分布，尤其在电子设备散热和高温合金部件设计中的应用。 3. 电磁-结构耦合：探讨电磁力对机械系统的驱动或约束作用，例如在电机设计和磁悬浮技术中的应用。 本章强调了求解器选择、网格策略（尤其是不同物理域间的网格匹配）以及结果后处理的专业技巧，确保仿真结果的可靠性和工程可解释性。 第三章：数字孪生（Digital Twin）的构建与应用 数字孪生被视为连接物理世界与虚拟世界的桥梁。本章深入剖析了数字孪生的核心架构，包括数据采集层、模型映射层和决策支持层。我们将探讨如何利用物联网（IoT）数据流，实时驱动高保真仿真模型，实现对物理资产的状态监控、预测性维护和性能优化。重点案例分析将涵盖智能工厂的虚拟调试和城市基础设施的实时管理。 --- 第二部分：智能制造与先进机器人技术 本部分将视角从设计转移到制造和实施环节，关注如何通过自动化和人工智能技术实现柔性、高效和精确的生产。 第四章：增材制造（AM）的工艺控制与后处理 增材制造已成为颠覆传统制造的基石。本章详细剖析了主流AM技术（如SLM、EBM、PolyJet）的工艺窗口、关键工艺参数（激光功率、扫描速度、层厚）对最终部件微观结构和宏观性能的影响机制。我们深入研究了层间结合的物理机制、残余应力的控制技术，以及在线质量监测系统（如基于视觉的缺陷检测）的集成方法。后处理环节，如热等静压（HIP）和表面精加工，将作为保证部件性能的关键步骤进行探讨。 第五章：工业机器人与协作系统 本章聚焦于现代工业机器人在复杂任务中的应用。内容包括： 1. 运动学与动力学：深入分析串联和并联机器人的雅可比矩阵（Jacobian Matrix）、逆运动学求解的唯一性与非唯一性问题，以及轨迹规划中的速度和加速度限制。 2. 任务级编程与路径优化：讲解如何利用先进的规划算法（如RRT）在障碍物环境中生成平滑、高效的运动轨迹，避免奇点和碰撞。 3. 人机协作（Cobots）：探讨协作机器人在安全边界设计、力矩传感和共享工作空间中的技术标准与实现方法，以及如何通过上下文感知进行任务分配。 第六章：过程控制与自动化算法 本章深入研究如何利用自动化技术来精确控制制造或运营过程。内容涵盖经典的PID控制理论的深入应用，以及向先进过程控制（APC）的过渡。特别强调了模型预测控制（MPC）在处理多输入多输出（MIMO）系统和长时间滞后过程中的优势。此外，本章还介绍了基于机器学习的状态估计和故障诊断方法，实现对生产线的自适应调整。 --- 第三部分：系统集成与数据驱动决策 该部分探讨如何将前两部分的技术成果整合成一个高效的、数据驱动的工程系统。 第七章：面向生产的系统集成（DFM/DFA） 本章强调设计与制造、装配之间的早期协同。面向制造的设计（DFM）不再是简单的规则检查，而是要求设计工程师理解特定制造工艺的成本结构和限制。面向装配的设计（DFA）则侧重于最小化零件数量、简化装配顺序和优化可制造性指标。我们将探讨如何利用知识图谱和规则引擎来自动化这些评估过程，确保设计方案在全生命周期内的最优性。 第八章：工程数据的管理与可视化 随着仿真和传感器数据的爆炸式增长，高效的数据管理成为瓶颈。本章讲解了产品数据管理（PDM）和企业资源规划（ERP）系统在工程数据生命周期管理中的作用。重点内容包括： 1. 数据标准化与互操作性：如何利用标准化的文件格式（如STEP AP242）实现跨平台数据的无损交换。 2. 大数据在工程中的应用：如何对海量测试数据和仿真结果进行特征提取，利用降维技术（如PCA）识别关键性能指标。 3. 高级可视化技术：利用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术，实现复杂工程系统的沉浸式审查和远程协作。 第九章：系统级优化与敏捷工程 最终章将所有技术汇聚到系统级的决策制定上。本章探讨了多目标优化（MOO）在权衡不同工程指标（如成本、性能、可靠性、能耗）时的应用，并介绍了帕累托前沿（Pareto Front）的分析方法。最后，本书将系统性地阐述敏捷工程（Agile Engineering）的原则，即如何在快速迭代的设计-制造-测试周期中，高效地整合上述所有数字化工具，以快速响应市场变化和技术突破。 --- 通过对这些前沿领域的系统梳理和深入剖析，《现代工程设计与自动化》致力于培养读者构建未来复杂工程系统的整体思维和实战能力。

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