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出版者:人民邮电出版社

作者:王雷

出品人:

页数:388

译者:

出版时间:2004-9-1

价格:40.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787115125897

丛书系列:

图书标签:

• Pro/Engineer
• CAD
• 机械设计
• 工程图
• 三维建模
• 参数化设计
• 软件教程
• 工业设计
• 计算机辅助设计
• ProE

机械设计与先进制造技术：从理论基石到智能实践 书籍概述： 本书旨在为现代机械工程及相关领域的专业人士、研究人员和高年级学生提供一个全面、深入且与时俱进的技术视角。它不再局限于传统的设计工具操作层面，而是聚焦于机械系统设计背后的核心物理原理、先进的材料科学应用、以及数字化制造与智能控制的前沿融合。本书以“从宏观系统规划到微观结构优化”为主线，系统性地阐述了如何构建高效、可靠、可持续的复杂机械产品。 全书结构严谨，内容涵盖了现代机械设计中至关重要的四大支柱：计算力学基础的深化、创新材料与结构设计、精密制造工艺的集成优化，以及面向工业物联网（IIoT）的系统控制。我们强调将理论知识转化为解决实际工程难题的工具，并密切关注行业对高精度、轻量化、多功能化产品的迫切需求。 第一部分：工程计算力学的深度解析与应用 本部分是全书的理论基石，超越了传统的静力学和简单的动力学范畴，深入探讨了复杂载荷条件下的结构行为预测。 1.1 连续介质力学与本构关系进阶： 详细探讨了广义应力应变张量，重点剖析了各向异性材料（如复合材料、晶体结构材料）的本构模型，包括粘弹性、蠕变和疲劳损伤的本构描述。我们着重分析了如何根据材料的微观结构特征，推导出宏观尺度的力学响应方程。引入了损伤力学（Damage Mechanics）的概念，阐述了裂纹萌生、扩展和断裂韧性的定量评估方法，为结构的可靠性设计提供理论支撑。 1.2 有限元方法（FEM）的高级应用： 本书不侧重于特定软件的操作手册，而是深入探究有限元分析背后的数学原理。内容包括：高阶单元的插值函数选择、网格划分对求解精度的影响（特别是奇异点和应力集中区域的处理）、非线性问题的求解策略（如大变形、接触分析的牛顿-拉夫逊迭代法），以及如何进行多物理场耦合分析（如热-力耦合、流固耦合——FSI）。特别辟章讨论了如何利用特征值分析进行模态识别和振动抑制设计。 1.3 优化设计方法论： 系统介绍了拓扑优化（Topology Optimization）、形状优化（Shape Optimization）和尺寸优化（Sizing Optimization）的数学框架。详细讲解了灵敏度分析、伴随方程（Adjoint Methods）在梯度计算中的效率优势，以及如何将结构优化与制造约束（如可制造性约束C-Space）相结合，实现“设计即制造”的理念。 第二部分：前沿材料与结构创新设计 本部分着眼于如何利用新材料的特性来突破传统设计的性能极限。 2.1 先进功能材料的选型与应用： 深入研究了高性能工程塑料、金属基复合材料（MMC）、陶瓷基复合材料（CMC）的力学性能、热性能和介电性能。重点关注了梯度功能材料（FGM）的设计原理，即通过材料成分的连续变化来实现特定界面性能的优化，例如在热障涂层中的应用。 2.2 轻量化与拓扑优化结构的承载策略： 讨论了如何设计具有内在结构冗余的轻量化框架，包括蜂窝结构、点阵材料（Lattice Structures）的力学性能模拟和宏观性能的等效均质化建模。讲解了在变载荷和多约束环境下，如何进行疲劳寿命预测和剩余寿命评估，确保轻量化结构在长期服役中的可靠性。 2.3 机构学的再审视与复杂运动学实现： 超越平面连杆机构，深入探讨了空间机构、并联机构（如Stewart平台）的运动学、静力学分析及奇异位形识别。分析了如何利用优化算法合成出具有特定运动轨迹和高刚度特性的新型机构，为高精度运动平台的开发提供指导。 第三部分：数字化、精密与增材制造工艺集成 本部分聚焦于如何将设计转化为现实，特别是利用现代制造技术实现复杂几何和高精度要求。 3.1 增材制造（AM）的设计规范与后处理： 详细分析了选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）等金属增材制造工艺的特点、缺陷来源（如未熔合、残余应力）。强调了面向增材制造的设计（DfAM）原则，包括如何设计支撑结构、如何控制冷却路径以减轻内部应力、以及如何利用AM的自由度来实现梯度材料或内部冷却通道的集成。 3.2 传统精密加工的误差源分析与补偿： 系统分析了数控（NC）加工中的误差传递链，包括机床误差、刀具误差、夹具误差和热误差。重点讲解了误差补偿技术，如在线测量反馈和离线误差模型修正，以实现微米乃至亚微米级别的加工精度。 3.3 表面工程与界面性能控制： 探讨了热喷涂、PVD/CVD等涂层技术在提高零部件表面耐磨性、耐腐蚀性方面的作用。分析了涂层与基体之间的界面粘结强度评估方法，以及如何通过精确控制工艺参数来优化涂层的微观结构和残余应力状态。 第四部分：智能控制与系统集成 本部分将机械系统提升至“机电一体化”的更高层次，融入感知、决策和执行能力。 4.1 现代控制理论在机械系统中的应用： 复习和深化了状态空间法，并重点介绍了鲁棒控制（H-infinity）、自适应控制在处理系统参数不确定性和外部扰动时的优势。对于柔顺性要求高的系统，详细讲解了阻抗控制（Impedance Control）的设计与实现。 4.2 机械系统的状态监测与故障诊断（PHM）： 讲解了如何利用传感器技术（如振动、声发射、温度）采集数据，并结合先进的信号处理方法（如小波分析、经验模态分解EMD）提取特征信息。重点阐述了基于机器学习/深度学习的故障模式识别模型构建流程，实现从数据到健康状态评估的转化。 4.3 人机交互与安全规范： 讨论了现代机械系统中人机界面的设计原则，包括可视化反馈的有效性。同时，系统阐述了功能安全标准（如ISO 13849）在复杂自动化机械设计中的应用，确保系统的可预测性和操作的安全性。 总结： 本书构建了一个从基础理论到尖端实践的完整知识体系，致力于培养读者系统思维、跨学科整合能力和工程创新精神，使之能够驾驭下一代复杂、智能、高性能的机械工程挑战。

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