Engineering Design and Rapid Prototyping pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Kamrani, Ali K./ Nasr, Emad Abouel, Ph.D.

出品人:

页数:466

译者:

出版时间:2010-9

价格:$ 236.17

装帧:

isbn号码:9780387958620

丛书系列:

图书标签:

• 工程设计
• 快速原型
• 产品开发
• 机械工程
• 制造工程
• CAD/CAM
• 3D打印
• 创新设计
• 设计流程
• 原型制作

图书简介：结构优化与先进制造技术 导言：面向未来的产品开发范式 在当代工业界，产品迭代速度的加快和性能要求的提升，对传统的工程设计与制造流程提出了严峻的挑战。本书《结构优化与先进制造技术》旨在深入探讨如何将前沿的结构分析方法与尖端的制造工艺深度融合，以实现产品性能的最大化、材料消耗的最小化以及生产效率的飞跃。本书聚焦于那些不涉及快速原型制作技术（如3D打印）的、更侧重于成熟工业流程优化和计算工具应用的领域，为工程师和研究人员提供一套系统的、可落地的理论框架和实践指南。 本书的叙事主线是围绕“如何设计一个更轻、更强、更具成本效益的结构”展开的，涵盖了从概念设计到最终生产准备阶段的关键技术环节。 第一部分：结构设计的基础理论与计算工具 本部分奠定了理解复杂结构性能的基础，重点关注在确定性环境下对结构进行精确建模和分析的能力。 第一章：高级有限元分析（FEA）的深入应用 本章详细阐述了非线性有限元分析的复杂性及其在实际工程问题中的解决方案。内容包括： 材料本构模型的选择与校准： 重点讨论弹塑性、粘弹性、蠕变以及疲劳损伤的精确数学描述。特别针对高熵合金、复合材料等新型材料，阐述如何利用实验数据标定合适的本构模型参数，并展示在FEA软件中实现这些复杂模型的具体步骤。 接触算法与网格无关性： 深入分析了罚函数法、增广拉格朗日法在处理复杂装配体接触问题时的优劣。同时，详细论述了确保计算结果收敛性和精度的网格收敛性研究方法，以及如何通过自适应网格细化技术优化计算资源分配。 动力学响应分析： 涵盖模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析。对于冲击、振动等问题，讲解如何利用时间积分算法（如Newmark法、中心差分法）精确捕捉结构的动态行为。 第二章：拓扑优化理论与应用 拓扑优化是实现结构轻量化和性能提升的核心数学工具。本章侧重于理论的严谨性和工程实现的挑战。 密度法（SIMP）与水平集方法： 对比分析了基于密度法的数学稳定性和水平集方法在边界清晰度上的优势。重点讲解了“虚密度”问题、周期性约束的引入以及欧拉-拉格朗日乘子法在保持体积约束下的应用。 制造约束的集成： 强调拓扑优化结果必须服务于实际制造。本章详细讨论了如何将拉拔方向、最小特征尺寸、拔模斜度等传统减材制造（机加工、铸造）的约束直接编码到优化目标函数或惩罚项中，以生成更易于加工的中间结果。 负载与边界条件的敏感性分析： 讨论了设计载荷和工作环境不确定性对优化结果鲁棒性的影响，并介绍了进行多工况优化设计的方法。 第二部分：先进结构设计与系统集成 本部分超越了单一构件的优化，转向多功能集成和大型系统的性能设计。 第三章：复合材料层合板设计与分析 针对航空航天、高性能体育器材等领域对轻量化和高比强度材料的需求，本章聚焦于层合板的设计流程。 铺层设计优化： 介绍通过顺序迭代算法（Sequential Iterative Technique）和遗传算法优化铺层角度和厚度，以满足特定的刚度、强度和热膨胀系数要求。详细分析了最大应力准则、Tsai-Hill准则和Hashin准则在失效预测中的应用。 界面失效与分层分析： 探讨了层间剪切应力（ILSS）的计算方法，并介绍了I型、II型和III型层间断裂韧性的实验表征和FEA模拟，尤其关注粘接界面在应力集中区域的性能退化。 第四章：热-结构耦合分析与热管理 在现代电子设备和发动机部件中，热载荷对结构完整性的影响日益显著。 瞬态热-结构耦合： 阐述如何利用双向耦合分析（Conjugate Heat Transfer, CHT）的结果作为结构分析的热源输入。重点讨论了热应力、热变形以及由温差引起的残余应力对疲劳寿命的累积效应。 蠕变与疲劳的耦合： 针对高温应用（如燃气轮机叶片），讲解了如何将时间相关的蠕变本构模型与疲劳损伤模型结合，预测部件的服役寿命。 第三部分：先进制造工艺的优化与控制 本部分关注如何将设计意图转化为高精度、高可靠性的最终产品，重点放在传统精密制造和增材制造（非快速原型阶段）的工艺控制上。 第五章：精密机械加工的工艺控制与质量保证 本章主要探讨如何通过优化刀具路径、进给速度和切削参数来提高复杂曲面的加工精度和表面完整性，而不依赖于快速原型验证。 五轴联动加工的误差补偿： 深入分析了机床运动学误差、刀具磨损和热漂移对加工精度的影响。介绍了利用激光跟踪仪等设备进行在机误差补偿的技术流程。 表面残余应力的控制： 讨论了切削过程中产生的塑性变形和热梯度如何导致有害的表面残余拉应力。提出了通过优化切削深度、选择合适的冷却液以及后续的表面处理（如喷丸强化）来改善残余应力状态的策略。 第六章：铸造与成形工艺的数值模拟 铸造和锻造仍然是制造大型、复杂金属部件的主流方法。本章关注如何通过模拟来避免宏观缺陷。 金属凝固过程的模拟： 详细分析了宏观尺度下牛顿冷却定律与微观尺度的相变潜热释放的耦合。重点讲解了如何通过模拟浇注温度、模具温度和冷却速率，预测缩松、缩孔等内部缺陷的形成位置和严重程度。 锻造与冲压的成形极限分析： 介绍了如何利用有限元方法模拟材料的流动行为。特别是针对深拉伸和复杂折叠，讨论了如何通过优化模具设计和中间退火工艺，避免材料的撕裂或产生过度减薄区域。 结论：从仿真到生产的桥梁 本书的最终目标是为读者提供一个跨越设计与制造鸿沟的综合视角。它强调，真正的工程成功不在于单一工具的熟练使用，而在于对结构行为的深刻理解、对材料特性的精确把握，以及对制造工艺限制的充分尊重。通过掌握这些先进的计算和实验验证方法，工程师可以显著缩短开发周期，提高产品可靠性，并确保设计意图能够无损、高效地转化为工业成品。本书内容聚焦于成熟且大规模应用的结构设计与精密制造方法，不包含对概念验证或快速迭代的快速原型技术介绍。

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老实说，这本书的阅读体验，更像是在参与一场高强度的学术研讨会，而不是轻松地翻阅一本指南。它的行文风格极为克制，充满了严密的逻辑推演，几乎没有使用任何可以称之为“花哨”的修辞手法。在处理诸如拓扑优化和有限元分析（FEA）与原型制作相结合的部分时，作者似乎默认读者已经具备了相当扎实的高等数学和结构力学基础。书中对公差带的定义、对表面粗糙度的量化评估，以及如何在高频振动环境下确保原型件的长期性能，这些细节的阐述力度之大，令人印象深刻。我特别留意了关于后处理技术的部分，作者没有简单地罗列打磨、抛光、电镀等流程，而是详细对比了不同化学溶剂对不同树脂基体材料的表面能和化学稳定性的长期影响。这体现了作者对整个产品生命周期有着深刻的洞察力，远超出了“快速成型”这个标签所暗示的临时性用途。它让我重新审视了“原型”的定义——它不再只是一个验证几何形状的模型，而是承载着关键性能指标的微型工程样本。

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从阅读体验的角度来说，这本书的行文节奏是紧凑且信息密度极高的，几乎没有冗余的背景介绍或历史回顾。它更像是一本高级工程师的备忘录，充满了针对具体工程难题的解决方案和对潜在陷阱的预警。书中对几种新型复合材料在增材制造中的性能衰减模型的阐述，非常具有前瞻性，这部分内容甚至超越了我目前在日常工作中接触到的主流工业标准。在关于成本效益分析的部分，作者并未简单地罗列每小时的机器运行成本，而是引入了“迭代周期缩短带来的总体开发成本节约”这一更宏观的指标，这对于项目管理层来说，是极具说服力的论据。总结而言，这本书像是一把高精度量尺，它要求你精确测量你的设计、精确理解你的材料、精确控制你的工艺。它不是一本适合初学者的入门读物，而是一本能帮助中高级从业者将“快速成型”提升到“精确工程制造”层面的参考宝典。我已将它列入我桌面上最常翻阅的参考资料之一。

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这本书的结构安排，无疑是为那些渴望在制造技术领域深耕的专业人士量身定做的。它没有把太多篇幅放在介绍主流3D打印机品牌和型号的评测上，这在我看来是一个巨大的优点。相反，它将核心精力集中在如何通过参数的微调和工艺流程的优化，来突破现有硬件的性能边界。比如，在讨论FDM（熔融沉积成型）技术时，书中关于挤出温度梯度控制对层间粘结强度影响的探讨，细致到了微米级别，并提供了如何通过修改切片软件的G代码来手动干预这些参数的实用技巧。这种“深入内核”的叙事方式，使得本书超越了一般的工具书范畴。我发现，即便是对于我熟悉了多年的某些技术环节，书中提供的另一种解释角度或优化路径，都能带来豁然开朗的感觉。读完关于“打印方向对各向异性影响”的章节后，我立刻回去重新评估了我最近失败的几个长悬臂结构件的打印方向，果然，一个微小的角度调整，就解决了困扰我近一个月的应力集中问题。

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这本书，初读时那种扑面而来的技术细节的厚重感，简直像是直接把车间里的精密仪器搬到了案头。我尤其欣赏作者在讲述材料科学和制造工艺时那种近乎偏执的严谨。比如，在讨论不同类型聚合物在快速成型过程中的收缩率控制时，书中列举了大量的实验数据和曲线图，绝非泛泛而谈。它没有过多纠缠于设计美学的宏大叙事，而是非常务实地探讨了如何将一个理论上的三维模型，通过实际的物理制造过程，转化为尺寸精度极高的实体物件。其中对于SLA（立体光刻）与SLS（选择性激光烧结）技术的底层原理对比分析，简直是教科书级别的深度，它不仅解释了“是什么”，更深入剖析了“为什么”某些工艺在特定应力环境下表现更优异。对于一个长期在一线进行产品迭代的工程师来说，这种对底层逻辑的透彻把握，远比浮于表面的软件操作指南来得有价值。我花了好几天时间，反复对照书中的热力学模型和冷却速率计算公式，尝试将其应用于我目前正在攻克的复杂几何结构件的优化上，收获颇丰。这本质上是一本教你如何“驯服”制造过程的书，而不是仅仅教你“使用”机器的书。

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这本书的价值，体现在它对“设计意图”与“物理现实”之间鸿沟的弥合上。它的叙述风格是冷静且极富洞察力的，它不满足于让你看到一件作品的最终形态，而是执着于揭示从概念到实体的每一步决策背后的工程学考量。例如，在处理复杂内部流道设计时，书中详细分析了不同支撑结构在移除过程中对内壁光滑度的潜在破坏，并提供了一套基于流体力学模拟来反推最优支撑策略的流程图。这不仅仅是关于打印，更是关于如何用可制造性思维来重塑设计流程。我特别欣赏作者对“制造约束即设计驱动力”这一核心理念的强调。不同于市场上许多强调“一切皆可打印”的乐观论调，这本书直面了不同材料在受力、受热和化学腐蚀下的真实局限性，并引导读者在设计之初就将这些“不可避免的妥协”纳入考量。这让我的设计工作从过去的“试图绕过限制”，转变为“利用限制创造更优解”。

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