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出版者:

作者:石固欧 编

出品人:

页数:436

译者:

出版时间:2003-8

价格:29.90元

装帧:

isbn号码:9787040125436

丛书系列:

图书标签:

• 中国机械
• 机械设计
• 机械工程
• 工程基础
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• 制造业

现代材料学与结构优化设计 书籍简介： 本书深入探讨了现代工程领域中至关重要的两个核心议题：先进材料的本构特性、微观结构与宏观性能的内在联系，以及如何基于这些材料特性进行高效、可靠的结构优化设计。全书力求在理论深度与工程实践之间架起一座坚实的桥梁，旨在为机械工程、土木工程、航空航天、材料科学等领域的专业人士和高年级学生提供一套系统、前沿的知识体系。 第一部分：先进工程材料的微观结构与宏观性能 本部分首先回顾了经典材料学的基础原理，如晶体结构、缺陷理论和相变动力学，但重点将迅速转向近二十年来取得突破性进展的新型材料体系。 第一章：高性能合金的理性设计 我们详尽分析了高熵合金（HEAs）的构效关系。不同于传统合金的“单主元”设计思路，HEAs 依靠其复杂的晶体结构和高混合熵效应，展现出卓越的耐高温蠕变性能和抗辐照损伤能力。书中不仅涵盖了第一性原理计算（DFT）在预测相稳定性和构型熵方面的应用，还详细阐述了基于机器学习（ML）的快速筛选方法，用于确定具有特定强度-韧性平衡点的合金成分空间。特别地，对镍基和钛基高温合金中微观析出相的控制机制进行了深入剖析，这是保障航空发动机叶片服役可靠性的关键。 第二章：功能性与智能材料体系 本章聚焦于超越传统力学功能的材料。我们详细讨论了形状记忆合金（SMAs）在传感器和执行器中的应用，重点解析了其马氏变换过程中的热力学驱动力和迟滞现象。随后，我们转向压电陶瓷和磁致伸缩材料，阐述了它们在主动减振和非接触式驱动中的机理。对于智能复合材料，书中探讨了如何通过引入自修复微胶囊或可逆交联点，赋予材料在受损后恢复其初始性能的能力，这对于延长关键基础设施的使用寿命具有重大意义。 第三章：先进复合材料的界面控制 复合材料是现代工程减重和提升特定性能（如比刚度）的首选方案。本书强调了纤维与基体之间界面强度的决定性作用。内容覆盖了碳纤维增强聚合物（CFRP）、陶瓷基复合材料（CMCs）和金属基复合材料（MMCs）。我们详细比较了不同界面改性技术（如表面涂层、等离子体处理）对层间剪切强度（ILSS）的影响机理。此外，还引入了多尺度建模方法，模拟纤维在复合材料失效过程中的损伤演化，包括基体开裂、纤维拔出和脱层。 第二部分：基于性能驱动的结构优化方法 在充分理解材料行为的基础上，本部分的核心目标是将材料的潜在性能转化为最优化的结构形式。我们不再局限于传统设计中的经验公式和安全系数法，而是采用现代计算力学和优化算法。 第四章：拓扑优化与尺度效应 拓扑优化是实现轻量化和高刚度结构设计的强大工具。本书系统介绍了固体均匀化法（SIMP）、渐变水平集方法（Level Set Method）在2D和3D结构设计中的应用。重点阐述了如何将材料的非线性行为（如塑性、疲劳）纳入优化目标函数。更进一步，我们讨论了优化结果在制造约束下的可行性，特别是如何处理增材制造（AM）带来的悬垂角和最小特征尺寸限制，实现了从数字模型到物理实体的无缝转换。 第五章：结构动力学与疲劳寿命的协同优化 对于承受动态载荷的结构（如车辆底盘、涡轮叶片），结构刚度和模态频率的控制至关重要。本章引入了模态空间优化技术，确保关键模态频率避开工作频率范围。在疲劳设计方面，我们超越传统的应力-寿命（S-N）曲线，深入探讨了基于断裂力学的应力强度因子（SIF）对裂纹扩展速率的控制。优化目标不仅是最大化疲劳寿命，更重要的是在预期寿命周期内，将疲劳裂纹的扩展速度控制在可接受的最小阈值之下。 第六章：多物理场耦合的可靠性评估 现代工程系统往往面临热、力、电磁等多种场的相互作用。本书详细介绍了有限元方法（FEM）在多物理场耦合分析中的实现。例如，在高温燃气轮机叶片设计中，需要同时优化气动载荷下的热应力分布和热梯度对材料微观组织的影响。我们探讨了不确定性量化（UQ）在结构可靠性分析中的应用，通过概率有限元方法（PFEM）来评估由于材料参数波动或载荷不确定性导致的结构失效概率，从而实现基于可靠性指标的优化设计，而非单纯的确定性设计。 第七章：增材制造（AM）的结构赋能 增材制造技术（如选区激光熔化 SLM）彻底改变了设计自由度。本书阐述了如何利用AM的复杂构型能力来设计具有内部晶格结构或点阵结构（Lattice Structures）的部件。这些结构在保持高比强度的同时，具有可调控的吸能特性。我们分析了AM过程中产生的残余应力和微观缺陷（如未熔合、孔隙率）对最终结构机械性能的影响，并提出了针对AM工艺的后处理（如热等静压 HIP）参数优化策略，以消除或减小这些不利因素。 结语：面向未来的设计范式 本书的最终目标是培养读者从“设计可制造的结构”向“设计最佳性能的结构”的思维转变。通过深入理解材料的内在潜力，并运用先进的计算优化工具，工程师可以突破传统制造工艺和设计经验的束缚，创造出更轻、更强、更持久的未来工程系统。本书内容严谨，案例翔实，适合作为高等院校机械、材料、航空航天等专业硕士及博士研究生的教材或参考书。

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坦率地说，这本书的理论深度是毋庸置疑的，它成功地构建了一个坚实的理论基石。但最让我感到耳目一新的是，它对新兴技术和未来趋势的展望。在最后几章，作者开始探讨数字化设计工具，比如参数化建模和有限元分析（FEA）在传统机械设计流程中的整合与革新。他非常客观地评价了这些工具的优势——极大地加速了迭代速度和优化潜力，但也明确指出了它们的局限性——过度依赖软件模拟可能导致工程师丧失对基本原理的直觉判断。这种既拥抱新技术又不盲从的审慎态度，非常符合当前工业界对复合型人才的需求。读完这本书，我感觉自己不仅掌握了传统的机械设计方法，还对未来十年机械工程师的角色转型有了一个清晰的认知。它真正做到了“立足经典，面向未来”，为我未来的职业发展铺设了一条清晰且富有挑战性的道路。

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我是在一个非常头疼的阶段接触到这本书的，当时正在为期末考试焦头烂额，特别是关于应力分析和材料力学的交叉部分，感觉那些公式和图表像一团乱麻一样缠绕在一起，怎么也理不清头绪。我本期望这本书能给我一些直击痛点的解题技巧，但它给我的更多是一种“思维导图”式的重构。作者似乎深谙学生在学习过程中的困惑点，他没有直接给出标准答案，而是把每一个知识点都拆解成了若干个小模块，每个模块之间都有清晰的逻辑链条。例如，在讲解疲劳强度和静强度判据时，他引入了一个非常巧妙的比喻，将材料比作一个有“记忆”的个体，不同的载荷施加方式会带来不同的“损伤累积”。这种拟人化的描述方式，一下子就让抽象的理论变得可感、可触摸。更让我惊喜的是，书中穿插了大量的“思考题”，这些题目往往不是简单的套用公式，而是要求读者结合实际工程背景进行判断和选择，极大地锻炼了我的批判性思维。读完某一章节，我不再是死记硬背公式，而是明白了“为什么是这个公式”以及“在什么情况下它会失效”。

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这本书的写作风格非常严谨，几乎找不到任何可以被挑剔的语病或者逻辑上的跳跃。它更像是一部教科书的精简版，但又比很多官方教材多了一份“人情味”。我特别欣赏作者在介绍各类标准件，比如轴承、联轴器时的那种细致入微。他没有简单地罗列国标代号，而是深入剖析了不同类型轴承在承受径向载荷和轴向载荷时的工作机理差异，甚至还提到了不同制造商在设计寿命周期上的细微差别。这对我之后进行设备选型至关重要，因为在实际工作中，一个不恰当的轴承选择可能导致整个机械系统过早失效。此外，书中对公差配合与几何尺寸的描述，逻辑性极强，从宏观的“设计意图”到微观的“实际加工误差控制”，层层递进，让我深刻理解了“制造”与“设计”之间的辩证关系。读完这部分内容，我感觉自己对图纸的理解不再停留在“看懂尺寸”的层面，而是开始思考“为什么是这些尺寸”。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，那种磨砂质感的封面，拿在手里沉甸甸的，透着一股专业范儿。内页的纸张选得也好，微微泛黄，长时间阅读眼睛也不会感到太累，这点对于我们这些需要对着技术图纸和公式推导很久的人来说，简直是福音。不过，我得说，光有好看的外表是远远不够的，真正吸引我的是它在绪论部分对学科脉络的梳理。作者没有直接跳入那些复杂的计算，而是花了大量的篇幅去讲述机械设计这门学科是如何从蒸汽时代的粗犷演变到如今精密制造的精髓的。他用了很多生动的历史案例，比如早期的纺织机结构，如何一步步优化，引入了新的材料和理论。特别是关于“创新与传承”这一块的论述，让我对机械设计有了更深层次的理解，它不光是遵循已有的规范，更是一种解决实际问题的创造性过程。书中配的插图清晰度极高，那些经典的机构示意图，连最细微的配合公差都能看清楚，这对于我后续学习传动系统设计打下了非常扎实的视觉基础。总而言之，初翻这本书，感觉就像是走进了一间陈列着工业文明瑰宝的博物馆，既敬畏又充满探索的欲望。

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随着阅读深入，我发现这本书在工程实践案例的引入上做得非常出色。它不仅仅停留在理论层面，而是不断地将抽象的力学原理与现实世界中的机械装置联系起来。书中有一章专门分析了某种常见的减速器箱体的结构设计，从热量散发、刚度要求到装配工艺性，作者进行了全方位的剖析。他对比了铸铁件和焊接件在成本、减震性能和加工周期上的优劣，并最终给出了作者倾向性的建议，同时还留有余地，说明了在特定高速、高精度要求的场合，可能需要采用更复杂的解决方案。这种亦师亦友的讲解方式，让我感觉不是在被动接受知识，而是在和一个经验丰富的老工程师一起进行项目复盘。书中对一些经典失败案例的提及也让人印象深刻，那些因为忽略了某个小小的应力集中点而导致的灾难性事故，起到了极强的警示作用。这种强调“预防性设计”的理念，远比单纯教你如何计算强度要宝贵得多。

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