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出版者:Professional Engineering Publishing

作者:Rahnejat, Homer 编

出品人:

页数:544

译者:

出版时间:2004-7

价格:$ 735.00

装帧:

isbn号码:9781860584633

丛书系列:

图书标签:

• 多体动力学
• 机械工程
• 动力学
• 振动
• 控制
• 机器人
• 数值方法
• 仿真
• MATLAB
• 理论分析

现代工程力学与先进制造技术：系统集成与智能控制的交叉前沿 本书简介 本书深入探讨了现代工程领域中几个关键且相互关联的前沿方向：高性能结构材料的本构理论、复杂机电系统的多物理场耦合分析，以及面向工业 4.0 的智能控制与优化方法。它旨在为研究生、高级工程师以及从事先进制造、航空航天、机器人学和精密机械设计的研究人员提供一个全面的理论框架和实用的技术视角。 第一部分：先进结构力学与材料行为模型 本部分聚焦于在极端载荷和复杂环境中，工程结构所展现出的非线性、时变行为。我们超越了传统的线性弹性假设，深入研究了材料在微观尺度上的响应如何宏观地影响系统性能。 1. 连续介质力学的高级张量分析与数值实现 详细阐述了描述应力、应变关系的高阶张量形式，特别是对非线性弹性、粘弹性、粘塑性材料的本构关系进行了严格的数学推导。重点介绍了如何利用有限元方法（FEM）高效求解这些复杂的偏微分方程组。内容涵盖了路径依赖性、超弹性模型的选择（如 Mooney-Rivlin 和 Ogden 模型），以及如何处理大变形下的网格重划分技术（如 ALE 算法）。 2. 疲劳、断裂与损伤力学 本章系统分析了材料在循环载荷下的累积损伤机制。内容不仅限于经典的 Paris 定律，更深入探讨了基于能量释放率的断裂力学（如 J 积分方法），以及在复合材料和梯度材料中如何建模裂纹萌生和扩展的概率统计模型。特别关注了多轴疲劳下的等效应力概念及其在实际工程部件寿命预测中的应用。 3. 智能与响应性材料的本构描述 考察了形状记忆合金（SMA）、压电材料和磁流变弹性体等智能材料的本构关系。讲解了如何将热力学、电磁场与机械应力场耦合起来，建立统一的场方程。例如，如何利用热力学势来描述 SMA 的相变过程及其对机械性能的反馈影响，这对于设计自适应结构至关重要。 第二部分：复杂机电系统的耦合分析与仿真 本部分着眼于现代工程系统的高度集成化特性，探讨了机械、电子、热学和流体动力学等多个物理域相互作用时的系统级行为分析。 1. 多物理场耦合建模技术 详细介绍了将不同物理场方程通过弱形式或强形式耦合起来的方法。重点分析了电磁-结构耦合（用于电机和传感器设计）、热-结构耦合（用于高超声速飞行器和发动机部件的热应力分析），以及流体-结构相互作用（FSI）在涡轮机械和柔性翼中的应用。讨论了不同耦合策略（如显式、隐式、分区法）的选择及其对计算稳定性和精度的影响。 2. 随机振动与可靠性分析 鉴于现实世界中载荷和材料参数的随机性，本章介绍了随机振动的分析方法，包括功率谱密度法、蒙特卡洛模拟以及高级的随机有限元方法（SFEM）。目标是量化系统在不确定性影响下的性能波动范围，并据此进行基于概率的安全评估（Reliability-Based Design Optimization, RBDO）。 3. 瞬态响应与非线性动力学 研究了系统在冲击、碰撞或快速激励下的瞬态行为。内容涵盖了接触动力学中的非光滑性处理、冲击吸收装置的设计原则，以及对可能出现的混沌现象的识别与控制方法，这对于保障精密仪器的抗震性能至关重要。 第三部分：先进制造工艺中的过程建模与控制 本部分将理论力学与先进制造技术相结合，关注制造过程中材料的微观结构演化及其对最终产品几何精度和性能的影响。 1. 增材制造（AM）的残余应力与变形控制 深入分析了激光粉末床熔融（L-PBF）和定向能量沉积（DED）等增材制造工艺中，由于快速加热与冷却导致的巨大温度梯度所产生的残余应力和热变形。建立了基于热-塑性理论的沉积层间残余应力累积模型，并探讨了通过优化扫描策略、基板预热或后处理（如热等静压 HIP）来减轻这些不利影响的工程措施。 2. 塑性成形过程的数值模拟与优化 针对深冲压、锻造和轧制等大变形工艺，本书提供了从本构模型选择到网格生成的一整套数值模拟流程。特别关注了摩擦模型在模具设计中的作用，以及如何利用有限元结果反推最优的工艺参数，以避免出现撕裂或回弹超差。 3. 过程监测与反馈控制系统 讨论了如何将传感器技术（如原位声发射、红外热像仪）与先进制造过程相结合，实时获取过程数据。基于这些数据，介绍了如何构建闭环反馈控制系统，用于实时调整激光功率、进给速度等工艺变量，以确保制造过程的稳定性和产品质量的一致性，迈向“自适应制造”。 第四部分：智能控制与系统优化设计 本部分将前述的结构和系统分析结果，转化为可操作的控制策略和高效的优化设计流程。 1. 现代控制理论在复杂系统中的应用 复习了经典状态空间模型，并侧重于鲁棒控制和最优控制理论。探讨了 LQR (Linear-Quadratic Regulator) 在主动减振和姿态控制中的应用，以及 $mathcal{H}_{infty}$ 控制器在应对模型不确定性和外部扰动时的设计方法，以确保系统在各种工况下的稳定性。 2. 智能优化算法与逆向工程 介绍了进化算法（如遗传算法、粒子群优化）和代理模型（Surrogate Models）在多目标优化设计中的应用。重点在于如何处理高维、非线性和计算成本极高的工程优化问题。同时，也涵盖了如何利用测量数据反演结构参数或载荷谱的逆向问题求解技术。 3. 人工智能辅助的结构健康监测（SHM） 本章前瞻性地介绍了机器学习在工程领域的集成应用。通过对传感器（如应变片、光纤传感器）采集的时频数据的深度学习分析，实现对结构损伤的早期识别、定位与量化评估。探讨了基于卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）的特征提取与分类方法，以构建高效、可靠的结构健康管理系统。 本书的综合性体现在，它要求读者不仅要掌握扎实的经典力学基础，更要能够驾驭现代计算方法（FEM/FVM）和前沿的智能控制技术，实现从基础理论到尖端工程实践的无缝对接。

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