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页数:269

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出版时间:2007-8

价格:24.00元

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isbn号码:9787113080280

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• 机械制图
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• 工业设计

铸就未来：现代工程设计与材料科学前沿探索 本书简介 《铸就未来：现代工程设计与材料科学前沿探索》是一部面向工程技术人员、科研人员以及高年级理工科学生的深度专业著作。本书摒弃了传统工程教科书中对基础理论的重复论述，转而聚焦于当前工程实践中最具挑战性、最前沿、也最具颠覆性的技术领域。我们致力于构建一座连接基础科学原理与尖端工程应用的桥梁，旨在指导读者如何在新材料、新工艺、数字化设计工具的背景下，解决现实世界中复杂系统的集成与优化问题。 全书共分为六个宏大的部分，每一部分都深入探讨了当前工程领域变革的核心驱动力： --- 第一部分：增材制造与复杂结构拓扑优化 本部分彻底革新了对“制造”的传统认知，将重点放在了以增材制造（Additive Manufacturing, AM）为核心的颠覆性生产范式上。我们不再讨论基础的FDM或SLA原理，而是深入剖析了选区激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）等金属增材制造过程中的冶金学挑战，例如残余应力控制、孔隙率演化与晶粒结构各向异性问题。 关键章节： 1. 数值模拟在金属增材制造中的应用： 探讨如何利用有限元方法（FEM）精确预测熔池的凝固过程和热循环引起的微观组织变化。重点介绍与商业软件接口的定制化求解器开发，用于指导打印路径规划以最小化变形。 2. 拓扑优化驱动的结构设计： 详细阐述了基于密度法、水平集法和水平集演化法的多尺度拓扑优化流程。本书特别关注如何将优化结果无缝转化为可打印的复杂晶格结构（Lattice Structures）和点阵结构，并探讨了这些结构在轻量化与吸能特性方面的性能边界。 3. 异质材料与功能梯度材料的制造集成： 介绍如何通过多材料3D打印技术，实现结构强度、导电性或热阻抗在同一部件内的平滑过渡设计，这对航天器热防护系统和先进电子封装具有革命性意义。 --- 第二部分：先进材料的计算设计与性能预测 现代工程的瓶颈往往在于材料性能的局限性。本部分将目光投向了如何利用计算工具“设计”出具有特定功能的材料，而非仅仅依赖传统的材料筛选。 关键章节： 1. 高通量计算材料学（High-Throughput Computing）： 详细介绍了如何结合密度泛函理论（DFT）和机器学习（ML）加速新型合金、复合材料以及储能材料的筛选过程。涉及从数据库构建、特征工程到模型训练的完整流程。 2. 材料微观结构与宏观性能的关联： 深入探讨了晶界工程、析出相控制对材料疲劳寿命、蠕变性能的影响。通过引入立体显微成像技术（如同步辐射X射线层析成像）的数据，指导微观结构设计。 3. 智能与自修复材料的基元构建： 分析了形状记忆聚合物、相变材料在响应外部刺激（温度、电场、光照）时的本构关系建立，并展示了如何设计具备闭环反馈能力的自修复涂层系统。 --- 第三部分：多物理场耦合的系统级仿真 当代工程系统（如高性能发动机、生物医疗植入物、新能源电池包）是热、力、电、流等多种物理场相互作用的复杂集合体。本部分着重于多场耦合分析的建模方法论和求解策略。 关键章节： 1. 流固耦合（FSI）的高精度建模： 侧重于处理大变形、高频振动以及非牛顿流体（如血液、高分子熔体）的相互作用。探讨了任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法和浸入式边界法（IBM）在不同工况下的适用性与局限。 2. 电磁-热-结构耦合在器件中的应用： 以高功率密度电子设备散热和电机设计为例，展示如何同步求解电磁感应热、焦耳热、材料的热膨胀应力以及随之产生的结构变形，实现系统的可靠性预测。 3. 生命周期环境下的疲劳与断裂： 讨论了在腐蚀、辐照或交变载荷复合作用下，材料损伤演化的耦合模型，特别是疲劳裂纹扩展的概率性模拟方法。 --- 第四部分：工业互联网与数字孪生体的构建 本部分是连接物理世界与信息世界的关键，聚焦于如何利用数据驱动方法优化工程资产的全生命周期管理。 关键章节： 1. 传感器融合与状态监测： 探讨了基于光纤传感、超声波检测和非接触式激光测量的多源异构数据采集技术，以及如何利用卡尔曼滤波或粒子滤波技术实现状态估计的鲁棒性增强。 2. 工程数字孪生的架构与实施： 详细分解了数字孪生体的核心组件：物理实体模型、数据模型、连接服务和应用服务。重点讲解如何将第一部分和第三部分建立的复杂仿真模型，实时映射到运行中的物理资产上。 3. 预测性维护（PdM）的数据驱动模型： 介绍了基于深度学习（如LSTM、Transformer网络）的剩余使用寿命（RUL）预测算法，以及如何将预测结果直接反馈给制造执行系统（MES）进行柔性调度。 --- 第五部分：超材料与环境响应结构设计 本部分探索工程设计突破传统材料物理限制的边界，关注人工设计的周期性结构——超材料（Metamaterials）和超表面（Metasurfaces）在工程领域的实际应用。 关键章节： 1. 声学和振动控制的超材料应用： 设计具有负模量或负渗透率的结构，用于实现对特定频率的完美吸声或隔振效果，这对于航空器降噪和精密仪器抗震至关重要。 2. 电磁波调控的超表面： 阐述如何通过亚波长尺度的结构单元来精确控制光的偏振、相位和振幅，以实现对传统光学器件的颠覆，例如实现平面的超透镜和隐身涂层。 3. 变刚度与可重构结构： 基于可展机构和锁扣机制，设计能够根据外部指令改变其几何构型和力学性能的智能结构，为适应性蒙皮和可重构机构提供理论基础。 --- 第六部分：可持续性工程与循环经济设计 面向全球环境挑战，本部分将工程决策置于更宏大的可持续发展框架下进行审视。 关键章节： 1. 全生命周期评估（LCA）的深入集成： 不仅关注能源消耗，还深入探讨了材料开采、制造过程中的水资源消耗和有毒物质释放的量化评估方法，并展示了如何将LCA指标作为优化目标纳入拓扑优化算法中。 2. 设计可回收性与高值化再制造： 探讨了如何利用材料标签技术（如嵌入式RFID或化学示踪剂）来追踪报废产品的材料成分，从而指导高效、低能耗的拆解和回收流程，特别是针对复杂电子和复合材料部件。 3. 低碳足迹工艺路径的优化选择： 通过比较不同制造路径（如传统锻造、铸造与先进增材制造）的碳排放和能耗数据，为工程师提供量化决策工具，以实现“绿色制造”。 本书的编写风格严谨而务实，侧重于提供可操作的数学模型、先进的数值算法以及具有前瞻性的工程案例分析，旨在培养新一代工程师对复杂工程问题的系统性、多尺度、跨学科的解决能力。它不是一本基础入门手册，而是深入前沿挑战的路线图。

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