Skullbase Techniques and Concepts pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Moore, Charles E./ Olson, Jeffrey

出品人:

页数:150

译者:

出版时间:

价格:772.00 元

装帧:

isbn号码:9781597561983

丛书系列:

图书标签:

• Skull Base
• Skull Base Surgery
• Neurotology
• Neurosurgery
• ENT
• Otology
• Rhinology
• Head and Neck Surgery
• Anatomy
• Imaging

深入探索现代工程的基石：高性能计算与新型材料的集成应用 图书名称： 跨学科工程前沿：从理论到实践的系统性构建 内容简介： 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，聚焦于当前工程科学领域最前沿、最具革命性的两个支柱——高性能计算（High-Performance Computing, HPC）的最新进展与功能化新型材料的结构设计与制备技术。我们不探讨任何关于特定生物结构或组织基础技术的知识，而是将焦点完全置于纯粹的物理、数学模型、计算模拟方法以及先进材料的合成与表征上。 全书结构严谨，分为四大核心模块，力求在理论深度和工程应用广度之间达到完美的平衡。 --- 第一部分：高性能计算的理论基础与算法革新 (Foundations of HPC and Algorithmic Innovation) 本部分深入探讨了驱动现代科学发现的计算引擎——高性能计算的底层架构、并行化策略及其在解决复杂工程问题中的核心作用。 第一章：并行计算范式与硬件架构演进 本章首先回顾了冯·诺依曼架构向多核、众核及异构计算（GPU、FPGA）的演变历程。重点解析了不同并行模型（如SIMD, SIMT, MIMD）的适用场景与性能瓶颈。详细讨论了现代超级计算机的互联网络拓扑结构（如Hypercube, Torus, Fat Tree）如何影响大规模并行程序的通信效率。此外，对量子计算的初步概念及其对经典HPC的潜在颠覆性影响进行了客观评估，分析了当前的量子比特稳定性和错误纠正挑战。 第二章：大规模数值方法的数值稳定性与精度分析 本章聚焦于在求解偏微分方程（PDEs）时，如何确保计算结果的可靠性。内容涵盖了有限元方法（FEM）、有限差分方法（FDM）以及谱方法在处理非线性、多尺度问题的局限性。特别强调了迭代求解器（如GMRES, BiCGSTAB）的预条件子设计（如代数多重网格AMG、不完全LU分解ILU）对收敛速度和内存占用的关键影响。对于涉及材料断裂或界面演化的仿真，本章详细阐述了浸入式边界法（Immersed Boundary Method, IBM）和格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）的数学框架。 第三章：数据密集型科学计算与内存管理 随着模拟规模的指数级增长，内存访问模式已成为决定HPC效率的首要因素。本章深入探讨了数据局部性、缓存优化技术（如数据平铺、预取策略）在不同算法中的实现。介绍了面向大规模数据集的I/O性能瓶颈分析工具和技术，包括并行文件系统（如Lustre, GPFS）的优化配置。此外，阐述了现代科学数据格式（如HDF5, NetCDF）在高效数据存储与检索中的标准化应用。 --- 第二部分：先进材料的微观结构设计与模拟 (Microstructure Design and Simulation of Advanced Materials) 本部分将理论计算与材料科学深度融合，探讨如何利用计算工具预测、设计和优化具有特定宏观性能的新型功能材料。 第四章：计算材料学的多尺度建模框架 本章系统梳理了从原子尺度到宏观尺度的集成模拟策略。内容包括：基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算在预测电子结构和化学反应势垒中的应用；分子动力学（MD）模拟在研究材料相变、晶界扩散和热力学性质中的精确性；以及相场（Phase Field）方法在模拟微观形貌演化（如析出、蠕变）中的优势。探讨了如何通过“缝合”不同尺度的模型，构建一个连贯的预测链条。 第五章：复合材料与界面工程 重点分析了纤维增强复合材料、纳米颗粒增强基体材料的力学性能预测。详细阐述了损伤力学模型（如Cohesive Zone Model CZM）在模拟纤维/基体界面脱粘和基体裂纹扩展中的应用。对于梯度功能材料（Functionally Graded Materials, FGM），本章讨论了基于Graded Index设计的热应力管理策略，以及如何利用拓扑优化方法在给定的载荷条件下反向设计最佳的材料分布。 第六章：新型功能材料的电子与磁性模拟 本章侧重于电子材料的设计。深入剖析了半导体异质结中的能带对齐问题及其对器件性能的影响。对于铁磁性或反铁磁性材料，介绍了基于蒙特卡洛（Monte Carlo）和伊辛模型（Ising Model）的模拟，用以预测居里温度和磁滞回线。此外，详细讨论了新型钙钛矿材料的光电转换效率瓶颈，以及通过掺杂和表面钝化来优化载流子寿命的计算方法。 --- 第三部分：集成仿真：从模型到原型 (Integrated Simulation: From Model to Prototype) 本部分探讨如何将HPC能力与材料模型相结合，以解决复杂的跨领域工程挑战。 第七章：计算流体力学（CFD）的高保真模拟 本章聚焦于高马赫数和高雷诺数流动问题的求解。详细分析了可压缩流动的RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）模型、LES（大涡模拟）以及DNS（直接数值模拟）的适用性与计算成本。重点讨论了壁面函数（Wall Function）的准确性对湍流边界层分离预测的影响。此外，结合新型气动外形材料的刚柔耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）分析，讨论了如何在高频振动载荷下评估结构疲劳寿命。 第八章：多物理场耦合仿真与优化 现代工程问题往往涉及热、力、电磁场的相互作用。本章提供了一套系统性的多物理场耦合求解流程。内容包括：热电耦合（如珀尔帖效应模拟）、压电效应（Piezoelectric Effect）的本构方程及其在传感器设计中的应用。强调了迭代式（Staggered）和直接式（Monolithic）耦合策略的选择标准，并引入了代理模型（Surrogate Models）和降阶模型（Reduced-Order Models, ROMs）在加速实时反馈优化中的关键作用。 --- 第四部分：面向未来的计算方法与工业应用 (Future Computational Methods and Industrial Applications) 本部分展望了计算工程的未来发展方向，并展示了这些技术在关键工业部门的实际落地案例。 第九章：机器学习在材料发现与模拟中的应用 本章深入探讨了深度学习和贝叶斯优化如何加速计算材料学的进程。分析了如何使用卷积神经网络（CNN）从模拟或实验图像中提取微观结构特征，并建立输入-输出映射。介绍了势能面预测（Force Field Prediction）中使用的神经网络，用以替代昂贵的第一性原理计算。讨论了如何利用高通量计算数据（High-Throughput Computing Data）构建可靠的材料数据库，并指导实验合成方向。 第十章：数字孪生与实时工程决策 本章将HPC、新型材料数据与物联网（IoT）数据流相结合，构建可靠的数字孪生系统。详细描述了传感器数据如何实时校准和修正计算模型中的不确定性参数（数据同化）。讨论了在结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）中，如何利用快速求解的有限元模型，对疲劳损伤的累积过程进行预测，并为预防性维护提供精确的时间窗口。 总结展望 本书的最终目标是培养读者将尖端的并行计算技术与精确的物理建模能力相结合的综合素养，从而在下一代工程设计、材料创新以及复杂系统优化中占据领先地位。全书内容严谨，数据驱动，完全专注于计算科学、数学建模和材料物理的交叉领域。

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