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出版者:化学工业出版社

作者:颜永年

出品人:

页数:216

译者:

出版时间:2002-1-1

价格:15.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787502536015

丛书系列:

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• 先进制造
• 智能制造
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• 数字化转型
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• 新材料
• 工艺技术
• 自动化

机械工程前沿：基础理论与现代应用 本书导读 在信息技术与先进材料科学的交汇点上，机械工程正经历着一场深刻的变革。本书旨在为工程专业学生、研究人员以及工业界专业人士提供一个全面、深入的知识框架，聚焦于支撑现代机械系统设计、分析与制造的核心基础理论，以及这些理论在实际工程问题中的创新应用。我们着重探讨那些驱动当前工程实践进步的关键科学原理，而非局限于某一特定技术领域。 本书共分为六个主要部分，结构严谨，层层递进，力求在理论深度与工程实用性之间找到最佳平衡点。 --- 第一部分：材料科学与结构完整性 本部分深入剖析了工程材料在极端载荷和复杂环境下的响应机制。我们首先回顾了晶体结构、缺陷理论与本征性质之间的关系，这构成了理解宏观力学行为的微观基础。 1. 现代材料本构关系： 详细阐述了线弹性、弹塑性以及粘弹性模型的数学描述与适用范围。特别关注了各向异性材料（如复合材料和定向凝固合金）的本构方程，强调了引入应变梯度理论在描述材料局部化损伤方面的优势。我们对损伤力学进行了深入探讨，包括裂纹萌生、扩展的能量判据（如断裂韧性KIC）以及疲劳寿命预测的统计模型（如Weibull分布在失效分析中的应用）。 2. 功能梯度材料（FGM）分析： 探讨了材料性能沿空间连续变化的梯度材料的力学建模。重点分析了热-力耦合作用下FGM的应力奇异性问题，并介绍了利用有限元方法精确求解其界面应力集中效应的数值技巧。讨论了制造工艺（如增材制造层间结合）对材料梯度分布的影响。 3. 超材料力学基础： 介绍了如何通过设计人工结构单元（Meta-atoms）来获得自然材料不具备的有效宏观力学属性，例如负泊松比材料（Auxetic Materials）和具有特定波导特性的结构。分析了这些材料在冲击吸收和振动隔离中的潜在应用，强调了结构几何拓扑对整体力学响应的决定性作用。 --- 第二部分：热力学、传热学与能源转换 本部分侧重于能量转换效率的提升和复杂热边界条件下的传热分析。 1. 非平衡态热力学： 突破经典热力学框架，引入不可逆过程理论，分析系统远离平衡态时的能量耗散机制。重点研究了小尺寸系统（如微纳尺度设备）中的热输运现象，例如声子散射在热导率降低中的作用，以及开尔文-普朗克（Kelvin-Planck）表述在微型热机设计中的应用受限。 2. 复杂介质中的多相传热： 详细解析了包含相变（蒸发、冷凝）和多孔介质中流体流动耦合的热传递问题。讨论了牛顿冷却定律在湍流边界层中的局限性，并介绍了基于普朗特数的修正模型。对于辐射传热，引入了波长依赖性的光谱辐射模型，特别关注了在高温或真空环境下的辐射换热计算方法。 3. 热电与热声效应： 分析了塞贝克效应（Seebeck）和珀尔帖效应（Peltier）的热电材料性能优化，包括ZT值的提升策略。在热声学方面，探讨了瑞利阻尼器和亥姆霍兹共振器在能量回收系统中的设计原理，强调了声阻抗匹配对热能到声能（反之亦然）转换效率的影响。 --- 第三部分：先进控制理论与系统动力学 本部分聚焦于复杂机械系统的精确控制、建模与状态估计。 1. 非线性系统辨识与控制： 深入探讨了滑模控制（SMC）、反馈线性化技术在处理强非线性和参数不确定性系统中的应用。讨论了奇异摄动法在分解快慢子系统模型时的理论基础，以及如何基于Lyapunov稳定性理论来设计鲁棒控制器。 2. 随机过程与状态估计： 详细介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其扩展形式（EKF, UKF）在传感器数据融合与状态观测中的应用。重点分析了高维系统中的协方差矩阵演化问题，并引入H-infinity滤波作为处理结构化不确定性的替代方案。 3. 机器人学与运动规划： 阐述了刚体动力学基础，包括欧拉-拉格朗日方程的推导与简化。在运动规划方面，讨论了基于采样的规划算法（如RRT）的收敛性分析，以及在非完整约束系统（如移动机器人）中的轨迹优化方法，强调了碰撞检测与避障的实时性要求。 --- 第四部分：计算力学与仿真方法 本部分侧重于求解复杂工程问题的数值计算方法及其验证与校准。 1. 有限元方法（FEM）的高级主题： 涵盖了高阶单元的插值函数选择、单元应力/应变锁定现象的克服（如次级积分点技术）。深入分析了非线性有限元分析中的迭代求解器，如牛顿-拉普森法及其线索搜索策略，以及在处理接触和大变形问题时的数值稳定性保证。 2. 计算流体力学（CFD）的湍流建模： 比较了Reynolds平均N-S方程（RANS）模型（如$k-epsilon$, SST）的物理假设与适用边界。针对高精度需求，详细介绍了大涡模拟（LES）的尺度分离方法和亚格子模型（SGS）的构建原理，并讨论了动网格技术（Overset Grids）在模拟剧烈运动流场中的优势。 3. 离散元法（DEM）与耦合仿真： 阐述了DEM在模拟颗粒材料（如粉末、散装物料）流动特性中的基本接触模型和时间步进策略。重点讨论了流固耦合（FSI）的数值实现，包括单向、双向耦合的算法选择，以及如何处理固-液界面处的动量和能量传递。 --- 第五部分：精密传感、测量与信号处理 本部分关注如何准确获取工程系统的实时运行数据，并从噪声中提取有效信息。 1. 微纳传感器原理与集成： 探讨了基于MEMS技术的加速度计、陀螺仪的工作原理，包括电容式和压阻式传感器的设计优化。分析了环境因素（如温度漂移、电磁干扰）对传感器输出信号准确性的影响，以及补偿技术。 2. 信号处理基础： 详细介绍了傅里叶变换（FFT）在频谱分析中的应用，以及短时傅里叶变换（STFT）和小波变换（Wavelet Transform）在处理非平稳信号（如冲击信号或变频振动）时的优势。讨论了数字滤波器（FIR/IIR）的设计准则及其在噪声抑制中的实际效果。 3. 无损评估（NDE）技术： 介绍了超声波检测（UT）、涡流检测（ET）的物理机制。重点分析了超声波在各向异性材料中传播的慢波和快波分离问题，以及如何利用相控阵技术提高缺陷成像的分辨率和覆盖范围。 --- 第六部分：系统优化与可靠性工程 本部分将前述的分析工具应用于工程决策过程，以实现性能最优和寿命最大化。 1. 结构优化设计方法： 涵盖拓扑优化、形状优化和尺寸优化的数学公式化，特别是基于灵敏度分析的梯度下降法。讨论了将制造约束（如最小特征尺寸、拔模方向）集成到优化目标函数中的方法。 2. 随机可靠性分析： 介绍了First-Order Reliability Method (FORM) 和Second-Order Reliability Method (SORM) 在评估结构失效概率中的应用。重点讨论了如何利用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）和重要性抽样（Importance Sampling）来提高复杂系统可靠性计算的效率。 3. 寿命预测与剩余寿命评估（RUL）： 基于概率模型，探讨了疲劳和蠕变损伤积累的演化方程。引入了基于状态的监测数据（Condition Monitoring Data）来修正先验寿命分布，实现对在役设备剩余寿命的动态、实时预测，为维护决策提供科学依据。 --- 本书的编写风格力求严谨、逻辑清晰，并通过大量的例题和工程案例（非制造案例）来巩固理论知识，确保读者能够掌握将基础原理转化为可实施工程解决方案的能力。

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作为一名长期在研发部门工作的人，我对书中关于**柔性制造系统（FMS）**和**人机协作**的论述给予高度评价。这个部分写得极为生动和富有前瞻性。作者对**协作机器人（Cobots）**的描述不再是简单的功能介绍，而是深入探讨了如何设计安全、高效的人机交互界面和工作流程。书中提出了一种“渐进式自动化”的理念，即并非一步到位地完全替代人工，而是通过智能工具逐步增强操作员的能力，这种务实的态度非常贴合当前许多企业的实际情况。此外，书中对**自动化物流与仓储**的集成进行了详细的梳理，展示了AGV（自动导引车）和AMR（自主移动机器人）如何协同工作，确保物料在复杂的生产线上高效流转。这种系统集成思维，让我清晰地看到了未来车间的人员、设备、物料是如何形成一个动态、自适应的有机整体的。它提供了一种清晰的路线图，指导我们如何从传统的自动化升级到真正的“智慧工厂”。

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读完这本《先进制造技术》，我感到自己对“制造”这个词的理解得到了极大的拓宽。它没有局限于传统的机械制造范畴，而是以一种包容性的视角，将**新材料、新信息技术和新工艺**融为一炉。书中关于**质量保证与无损检测（NDT）**的章节，尤其令人印象深刻。它系统地介绍了从超声波到先进的X射线CT成像技术在产品内部缺陷检测中的应用，并强调了如何将这些检测数据实时反馈到制造过程进行闭环控制，这才是真正的“先进”。我欣赏作者在总结部分提出的观点：未来的先进制造将是高度**个性化、快速迭代且资源最优配置**的系统工程。这本书结构严谨，论述精辟，无论是想从零开始构建对现代工业的认知，还是希望在特定领域进行深挖的专业人士，都能从中汲取到宝贵的养分。它绝不是一本束之高阁的理论书，而是指引我们在快速变化的工业浪潮中保持领先的实用指南。

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说实话，我原本以为这是一本偏向硬核技术操作手册，但《先进制造技术》的**数字化转型**和**智能制造**部分，却展现出了惊人的宏观战略眼光。它将“工业4.0”这个被过度炒作的概念，拆解成了几个可执行的模块。最让我眼前一亮的是它对**工业物联网（IIoT）**架构的剖析。书中没有停留在传感器的罗列上，而是深入讲解了数据采集、边缘计算到云计算的数据流的优化策略，特别是如何通过数据模型实现**预测性维护**，这直接关系到生产线的停机成本。我对其中关于**数字孪生（Digital Twin）**的描述印象深刻，作者用一个生动的比喻——“让物理实体在虚拟世界中拥有生命”——来解释这个复杂的概念，并详细阐述了如何通过实时数据反馈来校准和优化物理资产的性能。这种理论与实践的完美结合，使得即便是刚接触智能制造概念的管理层人员，也能迅速把握其核心价值所在。这本书的深度和广度，远超我预期的技术手册范畴，更像是一部指导未来工厂蓝图的战略指南。

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这本《先进制造技术》简直是为我这种对未来工厂充满好奇的工程师量身定做的宝典！它的开篇就给我带来了极大的震撼。作者没有陷入那些晦涩难懂的理论堆砌中，而是直接切入了当前制造业最前沿的痛点和解决方案。比如，关于**增材制造（3D打印）**的章节，简直是教科书级别的梳理。它不仅详细描绘了不同工艺路线——从SLM到EBM，再到最新的生物打印——的物理化学基础，更重要的是，它用大量的实际案例展示了这些技术如何突破传统减材工艺的几何限制，尤其是在航空航天和医疗植入物领域的应用。我尤其欣赏它对**“按需生产”**和**“分布式制造”**理念的深入探讨，这完全颠覆了我过去对大规模集中化生产的认知。书中对新材料的引入，比如高性能陶瓷和复合材料在增材制造中的行为分析，也极具洞察力，让我对材料科学与制造工艺的深度融合有了全新的认识。读完这部分，我立刻感觉自己掌握了一把开启下一代产品设计大门的钥匙，迫不及待想将书中的知识应用到我的项目中去。

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这本书在处理**精密加工**和**表面工程**的交叉领域时，展现出了一种令人信服的严谨性。许多同类书籍往往只关注某一方面，但《先进制造技术》却巧妙地将**超精密加工**技术，如激光加工、电子束加工，与后续的**表面功能化处理**（如PVD/CVD涂层技术）紧密地联系起来。我特别关注了关于**微纳制造**的章节，它详细解释了光刻技术在非半导体领域的扩展应用，比如微流控芯片的制造。书中对加工误差的源头分析极其细致，从机床的热误差补偿模型到刀具磨损的实时监测，每一个环节都被量化和讨论。更难得的是，它并未忽略**绿色制造**的议题，阐述了如何通过优化切削液的使用、提高材料利用率来减少环境足迹，这在当下强调可持续发展的工业界是至关重要的维度。这本书让我深刻体会到，先进制造绝不仅仅是速度的提升，更是对每一个微观尺度的精准控制。

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