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现代机械设计与制造原理 第一版 作者： 张志远 著 出版社： 机械工业出版社 出版日期： 2023年10月 --- 内容简介 本书是面向机械工程、材料科学及相关领域本科高年级学生、研究生以及工程技术人员编写的综合性教材与参考手册。它系统、深入地阐述了现代机械产品从概念设计到制造实现的全过程所依赖的核心理论、关键技术与工程实践方法。全书内容紧密围绕“高效率、高性能、高可靠性、轻量化与智能化”等现代工程需求展开，旨在为读者构建一个扎实的、面向实际应用的知识体系。 本书结构严谨，逻辑清晰，分为三大核心部分：基础理论、设计方法与先进制造技术。 --- 第一部分：机械设计的基础理论与先进材料 本部分重点回顾并深化了传统机械设计中的关键力学基础，并引入了面向新材料和复杂载荷环境的分析方法。 第一章 机械系统动力学与振动控制 本章深入探讨了复杂机械系统（如多自由度机构、柔性体系统）的运动学与动力学建模。重点内容包括：拉格朗日方程在非线性系统中的应用、模态分析技术（Modal Analysis）、以及主动与被动减振降噪（NVH）的设计策略。特别强调了基于有限元分析（FEA）的系统级动力学仿真流程，确保设计初期即能预测并优化运行过程中的动态响应特性。 第二章 材料的本构关系与失效分析 超越传统的应力-应变关系，本章详细介绍了现代工程材料（如高熵合金、先进复合材料、陶瓷基材料）在极端条件下的力学响应。核心内容包括：蠕变、疲劳（低周与高周疲劳，疲劳裂纹扩展的Paris定律及修正模型）、断裂韧性（KIC）的实验测定与数值模拟。最后，对机械部件的典型失效模式（磨损、腐蚀、应力腐蚀开裂等）进行了系统的分类和预防性分析。 第三章 接触力学与表面工程 本章专注于机械摩擦、磨损与润滑的理论。引入了赫兹接触理论的扩展应用，用于处理非标准几何体的接触问题。重点介绍了润滑理论（雷诺方程在不同工况下的求解）、边界润滑与混合润滑状态的判定。在表面工程方面，详细阐述了表面强化技术（如渗碳、离子注入、激光熔覆）对提高部件寿命的关键作用。 --- 第二部分：面向性能的机械设计方法学 本部分聚焦于如何利用现代分析工具和优化思想，将设计转化为满足特定性能指标的实际方案。 第四章 结构优化设计与多物理场耦合分析 本章是本书的重点之一，介绍了结构设计的迭代与优化流程。涵盖了拓扑优化（Topology Optimization）、形状优化（Shape Optimization）和尺寸优化（Size Optimization）的数学原理和软件实现。特别讨论了如何处理多目标优化问题（如在刚度最大化和质量最小化之间的权衡）。此外，详细讲解了热-力耦合分析（Thermo-Mechanical Coupling）在高温或高频工作部件设计中的应用范例。 第五章 机械可靠性工程与寿命预测 本章从系统工程的角度审视产品的可靠性。内容包括：可靠性指标（失效率、平均寿命、可靠度函数）的统计学基础，基于威布尔分布（Weibull Distribution）的寿命数据分析。引入了加速寿命试验（ALT）的设计原则和数据外推方法，以及故障树分析（FTA）和事件树分析（ETA）在设计阶段的风险评估应用。 第六章 机构学与运动控制系统设计 本章深入分析了复杂机构（如并联机构、空间连杆机构）的运动学逆解与正解。重点讨论了机构的自由度分析、奇异性检测及其对控制系统设计的限制。在控制方面，结合伺服机构和执行器的特性，阐述了如何设计高精度、高响应速度的位置、速度和力控制回路，确保机械运动的精确执行。 --- 第三部分：先进制造技术与设计协同 本部分将设计与制造环节紧密结合，探讨了现代制造技术对设计自由度和成本控制的影响。 第七章 增材制造（3D打印）的设计约束与实现 针对金属和高分子材料的增材制造技术，本章重点分析了其对传统设计规范的颠覆性。讨论了支撑结构的设计、残余应力的控制、以及如何利用增材制造实现传统工艺无法达成的复杂内部结构（如点阵结构）。此外，详细阐述了“面向增材制造的设计”（DfAM）的原则，包括壁厚最小化、悬垂角控制和一体化设计。 第八章 精密加工与表面完整性控制 本章侧重于切削加工的机理与优化。讨论了刀具几何参数、切削参数对加工表面粗糙度、残余应力和加工硬化的影响。对数控（NC）编程的高级功能，如五轴联动加工和复杂曲面轮廓的路径规划进行了详尽介绍。 第九章 智能制造中的质量控制与数字孪生 本章展望了工业4.0背景下的质量保障体系。介绍了基于机器视觉和传感器融合的在线质量监测技术。核心概念是数字孪生（Digital Twin）在机械产品生命周期管理中的应用，包括如何通过实时数据反馈修正物理样机的设计模型，实现“设计-制造-运行”的闭环优化。 --- 本书特色 1. 理论与实践紧密结合： 每一章节均配备了大量的工程案例分析，并提供了大量的计算实例和软件操作流程指导。 2. 前沿性： 大篇幅介绍了增材制造设计、多物理场耦合仿真、以及高可靠性评估等现代工程前沿主题。 3. 跨学科视角： 融合了材料科学、控制理论、应用数学和计算机辅助工程（CAE）的知识，培养读者的系统工程思维。 本书是为有志于从事高端装备研发、精密仪器设计、航空航天动力系统（非发动机本体设计，而是相关的传动与控制机构）等领域的专业人员量身打造的实用工具书。
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