具体描述
突破性进展：现代工程与材料科学的计算模拟新范式 本书聚焦于当前计算模拟方法在材料科学、结构工程、流体力学以及先进制造领域中展现出的革命性潜力。本书旨在为研究人员、工程师和高级学生提供一个全面而深入的视角，探讨如何利用尖端的数值方法来预测、优化和理解复杂物理系统的行为。 --- 第一部分：基础理论与高级数值方法 第1章：计算力学核心基础的深化 本章首先回顾了连续介质力学和场论的基本原理，但着重于将这些理论转化为可高效求解的数值模型。我们将详细分析有限元方法（FEM）在处理几何非线性、材料非线性（如塑性、粘弹性、超弹性）问题时的最新发展。重点讨论了次级收敛分析（Subgrid-Scale Modeling）在解决湍流和多尺度问题中的应用，并深入探讨了无网格方法（Meshless Methods），特别是光滑粒子流体动力学（SPH）和再现核近似（RKPM）如何克服传统网格方法的局限性，尤其是在处理大变形、自由表面流动和材料破碎问题时的优势与挑战。此外，本章还涵盖了离散元方法（DEM）在模拟颗粒材料、粉末冶金和岩土工程中的精确建模技术。 第2章：计算流体力学（CFD）的高阶算法 本章不再侧重于基础的Navier-Stokes方程求解，而是深入探讨了面向下一代计算需求的先进CFD技术。内容包括格子玻尔兹曼方法（LBM）如何以其固有的并行性和对复杂边界条件的自然处理能力，正在重新定义多孔介质流动和微尺度流动的模拟范式。我们将详细解析LBM的介观基础、碰撞模型的选择及其对宏观物理的准确性影响。此外，本书还对高阶有限体积法（如WENO, MUSCL 格式）在激波捕捉和保真度模拟中的应用进行了批判性评估，并介绍了谱方法和谱元法在模拟高雷诺数湍流中低频大尺度涡流时的计算效率优势。 第3章：多物理场耦合与统一框架 现代工程问题的本质往往是多物理场的耦合。本章致力于构建一个处理复杂耦合问题的通用数值框架。我们详细考察了热-力耦合（如材料烧蚀、热应力分析）、流-固耦合（FSI）（如燃烧室的振动分析、仿生学中的柔性体运动）以及电磁-结构耦合的建模技术。重点讨论了分区求解（Partitioned Schemes）和整体求解（Monolithic Schemes）在稳定性和计算成本上的权衡。此外，本章还将介绍相场法（Phase-Field Methods）在模拟固态材料的微观演化，如晶界迁移、微裂纹萌生与扩展，以及液固界面动力学中的强大能力，提供一个从微观到宏观的统一描述工具。 --- 第二部分：材料科学与先进制造的模拟前沿 第4章：先进材料的微观结构模拟与表征 本书在材料模拟部分，将重点放在超越传统本构关系的范畴。我们探讨了密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）如何协同工作，以预测新型合金、陶瓷和复合材料的本征属性。具体内容包括：如何使用从第一性原理到介观尺度的尺度递进（Scale-Bridging）策略，从原子尺度的键合能计算到介观尺度的晶体塑性模型（CP/CLP）的参数化。本章还详细分析了快速原子/分子模拟（RAMS）在处理高通量计算数据流中的效率优化，以及如何利用这些数据来构建更具预测性的晶体塑性有限元模型（CPFEM）。 第5章：增材制造（AM）过程的仿真与优化 增材制造（3D打印）的复杂性在于其快速的相变、极端的温度梯度和残留应力的积累。本章聚焦于如何利用计算模拟来控制和优化这些过程。我们将深入分析选区激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）中的热-流-固耦合模型，包括对熔池动力学、孔隙率形成机制的精确捕捉。重点讨论了数值缺陷建模——如何模拟粉末烧结过程中的致密化和残余应力场的预测。此外，本章介绍了基于模拟数据的路径规划优化算法，以减少打印过程中的翘曲和热裂纹，实现首件合格率的提升。 第6章：结构完整性与损伤容限的预测建模 本部分关注材料和结构在服役条件下的失效预测。我们不再局限于传统的断裂力学，而是转向更具物理基础的损伤演化模型。详细阐述了内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）在模拟复合材料分层和界面脱粘中的应用，以及如何通过细观尺度分析来确定CZM的拉伸分离曲线参数。本章还深入探讨了随机损伤模型（Stochastic Damage Models）在处理结构中随机缺陷（如孔隙、微裂纹）对宏观疲劳寿命影响时的优势。最后，我们探讨了拓扑优化（Topology Optimization）方法在设计具有最大强度重量比或特定刚度分布的轻量化结构中的前沿应用。 --- 第三部分：面向实际应用的计算工具与验证 第7章：高效计算架构与并行化策略 现代模拟的挑战不仅在于模型的复杂性，还在于计算资源的消耗。本章专门讨论了如何将复杂的数值算法高效地移植到高性能计算（HPC）环境中。内容涵盖基于OpenMP和MPI的并行化技术在FEM和CFD中的实施细节，特别是如何优化稀疏矩阵求解器的内存访问模式和负载均衡。我们还将探讨GPU加速计算在分子动力学和快速傅里叶变换（FFT）密集型算法中的应用，并分析混合精度计算对大规模瞬态模拟稳定性和精度的影响。 第8章：模型验证、校准与不确定性量化（UQ） 一个强大的模型必须经过严格的验证和校准。本章强调了基于标准的验证程序（Verification），例如解的收敛性测试（网格独立性、时间步长独立性）和解的守恒性检查。更重要的是，本书着重介绍了模型校准（Calibration）和不确定性量化（UQ）。我们将介绍如何利用贝叶斯方法和卡尔曼滤波来整合实验数据和仿真结果，从而减小模型参数的不确定性。UQ部分将通过概率方法（如蒙特卡洛模拟、梯度匹配法）来评估输入参数波动对最终预测结果（如结构寿命、临界温度）的影响范围，从而使工程决策建立在量化的风险评估之上。 第9章：案例研究：跨领域集成应用的深度剖析 本章通过详细的、真实世界的工程案例，展示前述方法的集成应用。案例包括：航空发动机叶片的先进热防护系统设计（耦合LBM进行冷却流分析、CPFEM进行高周疲劳评估）；深海管道系统的流固耦合与腐蚀演化（结合DEM处理海底沉积物相互作用与结构动态响应）；以及生物工程中细胞微环境的力学建模（利用相场法和网格无关的求解器模拟细胞骨架的应力传导）。这些案例旨在强调，成功的计算模拟项目依赖于跨学科知识和对不同尺度方法的灵活选择与恰当耦合。 --- 总结：本书提供了一条从理论到实践的清晰路径，指导读者掌握如何构建、求解和验证下一代计算模型，以应对当代工程和材料科学中最具挑战性的问题。它不仅是技术手册，更是对未来计算驱动型工程决策的深刻洞察。
作者简介
目录信息
读后感
评分
评分
评分
评分
评分
用户评价
评分
评分
评分
评分
评分
相关图书
本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息，本站不存储任何数据与内容，任何内容与数据均与本站无关，如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度，google,bing,sogou 等
© 2026 qciss.net All Rights Reserved. 小哈图书下载中心 版权所有