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《机械设计与制造技术前沿：现代CAD/CAE系统应用实例剖析》 图书简介 本书聚焦于当代机械设计与制造领域中，先进计算机辅助工程（CAD）与计算机辅助工程分析（CAE）技术的实际应用与深度融合。我们旨在提供一个全面而深入的视角，解析如何利用现代软件平台，解决复杂工程问题，优化产品性能，并加速创新迭代过程。本书内容结构严谨，理论与实践并重，特别强调通过真实案例剖析，引导读者掌握从概念设计到虚拟验证的全流程技术链条。 第一部分：现代CAD系统的集成化设计方法 本部分深入探讨了新一代三维参数化建模工具的核心理念与高级应用技巧。我们摒弃了传统几何建模的线性思维，转向基于特征、基于模型的定义（MBD）的集成化设计流程。 参数化设计与约束驱动建模： 详细阐述了如何运用复杂的几何约束、尺寸驱动和关系驱动的建模策略，实现设计的快速修改和版本控制。重点分析了在大型装配体环境下，如何高效管理零部件间的相互依赖性，避免“蓝怪兽”现象。 曲面与逆向工程技术： 针对汽车外形、航空部件等自由曲面设计需求，系统介绍了NURBS曲面理论在CAD软件中的应用，包括曲线网络构建、曲面修补、曲率分析以及数据导入后的点云数据处理与曲面重构技术。 产品数据管理（PDM）与协同设计： 探讨了在多学科团队协作中，如何利用PDM系统实现设计数据的集中管理、版本控制和权限分配。介绍了基于工作流的审批机制，确保设计更改的合规性和可追溯性。 第二部分：先进CAE技术的仿真驱动设计 本部分是全书的重点，全面覆盖了结构分析、运动学分析、热分析等关键的虚拟测试技术。我们聚焦于如何将仿真嵌入设计早期阶段，实现“第一次就把事情做对”。 有限元分析（FEA）基础与高级应用： 线性与非线性结构分析： 详细讲解了静力学、模态分析（频率响应、振型分析）、屈曲分析的设置、求解与后处理。特别针对材料非线性（如塑性）、几何非线性（大变形）和接触非线性问题，提供了详尽的建模步骤和收敛性判断标准。 接触建模的艺术与科学： 深入剖析了不同接触类型（绑定、分离、摩擦）的选择对仿真结果的决定性影响，并介绍了高级接触算法（如罚函数法、增广拉格朗日法）的应用场景。 复合材料与分层分析： 针对轻量化结构设计，系统介绍了铺层定义、材料本构模型的选择（如正交各向异性材料）以及层间剥离（Delamination）的初步评估方法。 多体动力学（MBD）与运动仿真： 机构运动学与动力学求解： 阐述了如何将CAD模型转化为多体系统，定义关节约束、施加驱动力矩和载荷。内容涵盖了正向动力学（已知输入求输出）和反向动力学（已知运动求所需输入力）。 时域与频域分析： 介绍了瞬态运动仿真结果的解读，包括速度、加速度的峰值分析，以及如何利用傅里叶变换进行振动特性分析。 与控制系统的耦合： 探讨了如何通过接口将MBD仿真与外部控制算法（如Simulink）连接，实现机电耦合系统的联合仿真，评估控制策略的有效性。 第三部分：面向制造的仿真与优化 本部分强调设计成果必须能顺利转化为实际产品，因此关注制造工艺仿真及其对设计参数的反馈修正。 增材制造（3D打印）的仿真验证： 针对金属和高分子材料的增材制造过程，介绍了热应力分析和残余应力预测技术。如何通过仿真来优化支撑结构的设计，减少打印过程中的变形和开裂风险。 成形工艺仿真： 重点分析了钣金冲压、铸造成型和注塑成型的过程模拟。例如，在冲压分析中，如何评估材料的回弹（Springback）并反向补偿模具设计；在注塑中，如何优化浇口位置和冷却水道，以控制收缩和翘曲。 拓扑优化与轻量化设计： 介绍了基于应力、位移或频率约束的材料分布优化方法。详细演示了如何设定设计空间、载荷工况和性能指标，自动生成满足特定性能指标的最优结构拓扑，并如何将优化结果转化为可制造的实体模型。 第四部分：案例研究与前沿展望 本部分通过多个跨行业的综合性工程案例，展示上述技术的集成应用： 1. 复杂机械臂的运动学优化与疲劳寿命评估： 集成了MBD、FEA和载荷谱分析，以确保机器人在高强度工作环境下的可靠性。 2. 高性能散热器的热-结构耦合分析： 结合了流体动力学（CFD）的初步结果（未展开CFD详细理论），评估了温度场对结构应力的影响，并据此优化散热片几何形状。 3. 新能源汽车电池包的碰撞安全与轻量化设计： 综合应用了材料本构模型、非线性接触分析和拓扑优化，旨在满足严格的冲击标准同时降低重量。 本书旨在为机械、材料、航空航天等领域的工程师、研究人员以及高年级学生提供一本实用的参考手册，帮助他们掌握利用先进CAE工具解决实际工程挑战的能力，从而推动产品创新与工程效率的飞跃。本书假设读者已具备一定的机械设计基础和三维建模经验，重点在于深化仿真思维与高级分析技巧的掌握。
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