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出版者:

作者:Patton, Joseph D., Jr.

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页数:0

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价格:689.00元

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isbn号码:9781556178757

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图书标签:

• 预防性维护
• 设备维护
• 可靠性工程
• 资产管理
• 维护管理
• 工业维护
• 设备保养
• 故障预防
• 维护策略
• 生产维护

机械系统设计与优化：从理论到实践 图书简介 本书聚焦于现代机械系统的设计、分析与优化，旨在为工程技术人员和高等院校师生提供一套全面、深入且具有高度实践指导意义的参考资料。不同于侧重于故障预防与维护策略的传统手册，本书将视角完全投向机械系统的“生命之初”——概念设计、详细工程分析以及系统集成阶段。 本书共分为六大部分，涵盖了从基础理论到前沿应用的广泛主题，强调通过先进的计算工具和方法论，实现更高性能、更低资源消耗和更长设计寿命的机械系统目标。 --- 第一部分：机械系统设计基础与方法论 本部分奠定了整个设计过程的理论和哲学基础。我们探讨了系统工程在机械设计中的应用，强调从需求定义到功能分解的迭代过程。 1. 现代机械设计哲学与挑战： 讨论了在数字化、互联化背景下，机械设计所面临的材料限制、环境法规以及快速迭代的需求。重点分析了基于模型的系统工程 (MBSE) 如何重塑传统的设计流程，实现跨学科团队的高效协作。 2. 材料选择与性能匹配： 深入剖析了传统工程材料（钢、铝合金、高分子材料）在极端载荷、温度和腐蚀环境下的本构行为。引入了增材制造 (Additive Manufacturing, AM) 所需的材料特性分析，特别是粉末冶金特性和各向异性对结构强度的影响。同时，详细阐述了疲劳设计的基准判据（如S-N曲线、应力-应变循环分析），侧重于如何通过设计拓扑结构来规避高应力集中点，而非依赖事后的材料强化。 3. 几何优化与公差配合： 探讨了维度工程 (Dimensional Engineering) 的核心原则。详细讲解了几何尺寸和公差 (GD&T) 标注标准（如ISO与ASME体系的差异），并引入了统计公差分析 (Statistical Tolerance Analysis) 方法，用于预测装配链中累积误差的概率分布，从而在保证功能性的同时，最大限度地减少加工余量和制造成本。 --- 第二部分：结构静力学与动力学分析 本部分是机械设计计算的核心，侧重于精确预测和控制系统在工作载荷下的行为。 4. 连续介质力学与有限元方法 (FEM) 深度解析： 抛开了基础的平衡方程介绍，本书直接深入到非线性有限元分析。内容包括：大变形分析中的几何非线性处理、接触算法（如罚函数法、增广拉格朗日法）的适用性对比、以及动态载荷下的显式与隐式求解策略。对于材料的本构模型，详述了弹塑性、粘弹性模型的数学描述及其在商业求解器中的实现细节。 5. 机械振动与模态分析： 重点关注系统的固有特性。详细介绍了自由振动与强迫振动的解析解与数值解法。对于复杂结构，我们着重讲解了模态综合 (Modal Synthesis) 技术，用于高效集成子系统模态数据。此外，对随机振动（如风载或地震载荷）下的稳态响应分析提供了详尽的步骤和案例。 6. 接触力学与摩擦学基础： 阐述了赫兹接触理论在点、线接触问题中的应用，并过渡到更复杂的非均匀压力分布接触分析。摩擦部分，不涉及磨损寿命预测，而是聚焦于摩擦副的粘着-滑动行为，以及如何通过表面形貌工程（如激光微结构化）来控制启动摩擦力矩，以满足精密驱动系统的要求。 --- 第三部分：机构学与运动控制设计 本部分聚焦于如何将能量转化为精确、可控的运动。 7. 运动学与动力学综合： 采用拉格朗日方程和牛顿-欧拉法对复杂多连杆机构进行动力学建模。书中提供了大量案例，展示如何通过逆动力学分析来确定驱动器所需的精确力矩曲线，以实现高速、平稳的轨迹跟踪，这与故障预测中的状态监测完全是两个不同的阶段。 8. 空间机构与运动规划： 专门讨论了并行机构（如Stewart平台）的运动学解算（正解与逆解）。重点分析了这些机构在工作空间边界附近的奇异性点识别与规避策略，确保机器人在其工作范围内保持可控性。 9. 机械系统集成与驱动选型： 本章内容关于如何根据机构的动力学特性（惯量、速度、力矩需求）选择合适的电机类型（伺服、步进、直线电机）和传动元件（齿轮箱、谐波减速器）。强调计算系统的刚度裕度 (Stiffness Margin) 和带宽 (Bandwidth)，以确保控制系统能够有效响应高频动态变化，而不是维护人员关心的润滑与寿命问题。 --- 第四部分：流体机械与热力学设计考量 本部分着眼于流体与热量在机械系统中的管理，这些因素直接影响系统的能效和尺寸。 10. 内部流场分析与CFD应用： 介绍使用计算流体力学 (CFD) 预测泵、阀门、管道系统中的压力损失和湍流效应。分析重点在于边界层分离对效率的影响，以及如何通过几何优化（如导流叶片设计）来改善流场均匀性，而非关注介质的腐蚀性或泄漏点。 11. 机械系统的热管理设计： 详细阐述了传导、对流与辐射三种传热模式的耦合分析。对于高功率密度设备，本书提供了热阻网络模型的建立方法，用于预测关键部件的稳态和瞬态温度分布，指导散热片、导热垫和冷却液路的设计，确保系统在设计温度范围内运行。 --- 第五部分：可靠性工程的初期介入（设计阶段） 本部分关注如何通过设计本身来固化系统的预期可靠性，属于设计层面的保证，而非事后的修复或维护活动。 12. 故障模式与影响分析 (FMEA) 的设计应用： 系统地介绍如何将FMEA从质量控制工具转化为设计输入。重点在于识别潜在的失效机制 (Failure Modes)，并要求设计者在概念阶段就提供冗余方案 (Redundancy Schemes) 或故障耐受设计 (Fault-Tolerant Design)。 13. 寿命预测模型与设计裕度： 探讨了Weibull分布在预测结构件设计寿命中的应用，以及如何通过引入安全系数 (Factor of Safety) 来平衡性能与寿命预期。分析了如何根据目标寿命，反推所需的材料规格和载荷谱的保守程度。 --- 第六部分：高级设计与数字化制造集成 最后一部分将设计活动与现代制造技术紧密结合。 14. 拓扑优化与形态生成： 详细介绍了基于应力驱动的拓扑优化算法（如SIMP方法）。重点演示了如何设定载荷边界条件，并让优化算法自动生成具有最高刚度/重量比的结构形态，实现轻量化设计。这直接影响了系统的惯量和驱动器选型。 15. 数字化原型与系统级仿真： 讲解了如何构建数字孪生 (Digital Twin) 的物理模型 (Physics-based Model) 基础。这包括将结构、运动学和流体模型集成到一个统一的仿真环境中，以评估系统在不同工况下的整体性能表现，确保设计满足所有预设指标，这是对“未制造产品”进行全面评估的最高效途径。 本书通过大量的工程算例、商业软件操作流程指导，致力于将读者从“会使用工具”提升到“理解工具背后的物理和数学原理”的层面，为设计新一代高性能、高可靠性机械系统提供坚实的理论与方法论支撑。

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说实话，这本书的阅读体验带着一股强烈的务实气息，少了一些学术腔调，多了一份现场的烟火气。我最喜欢的地方是它对“故障树分析”（FTA）和“失效模式及影响分析”（FMEA）的讲解，不是教科书式的定义，而是通过一系列发生在不同行业（从化工到食品加工）的真实事故案例，来反向推导如何运用这些分析工具。读到那些因小失误引发大灾难的描述时，让人不禁捏一把汗，也更加坚定了预防维护的重要性。书中甚至提到了一些看似微不足道的维护细节，比如润滑剂的选择标准、紧固件的扭矩管理等，但作者清晰地指出了这些细节如何直接影响到设备运行的长期可靠性。它还提供了一套非常实用的“磨损曲线”解读指南，帮助工程师判断设备是处于随机失效期、初期磨损期还是正常磨损期，从而制定差异化的维护策略，而不是“一刀切”。这本书的语言风格像一位经验丰富的老师傅在传授经验，不拐弯抹角，直指核心痛点，读起来酣畅淋漓，让人感觉每翻一页，自己对现场的掌控力就增强一分。

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这本书简直是工业界的“救星”，我最近负责管理一批老旧的生产设备，每天都在和突发故障搏斗，让人焦头烂额。读完这本关于设备维护的书，我的思路一下子被打开了。它不是那种空泛的理论堆砌，而是非常务实地讲解了如何将维护工作从被动的“救火队员”模式转变为主动的“健康管理者”。特别是关于状态监测（Condition Monitoring）那一章，书中详细列举了不同传感器在实际应用中的优缺点，甚至提到了如何利用简单的振动分析来提前预测轴承的失效迹象。我印象最深的是一个案例分析，描述了一个大型压缩机组，通过引入成本效益高的预测性维护方案，成功避免了一次代价高昂的停机事故。作者的叙述风格非常接地气，就像一位经验丰富的老工程师在手把手教你，而不是高高在上的专家指导。书中对“维护文化”的强调也十分到位，指出技术固然重要，但如果一线的操作人员没有维护意识，再好的计划也只是纸上谈兵。这本书让我深刻理解了，有效的预防性维护不仅仅是修东西，更是一种对生产效率和安全性的长期投资。看完之后，我立刻着手优化我们部门的日常巡检清单，并引入了一些更精细化的数据记录表格，感觉整个车间的“脉搏”都清晰多了。

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这本书在讲解维护策略时，展现出了一种令人耳目一新的辩证思维。它没有将“预防性维护”神化，而是非常坦诚地指出了过度维护的弊端——更高的成本、不必要的停工时间和潜在的“二次故障”风险。书中用大量篇幅探讨了如何科学地确定维护的“间隔时间”，而不是简单地遵循制造商的建议。作者提出了一种基于风险评估的动态维护模型，它将设备的运行负荷、环境条件、关键程度等多个变量纳入考量，生成一个“最优干预点”。对我这种需要在预算和可靠性之间做艰难平衡的采购和技术经理来说，这种提供决策框架的能力至关重要。书中对“备件管理”的章节也极其出色，它不仅仅是教你如何订购零件，而是深入分析了“关键性备件的库存策略”——何时采用JIT（准时制），何时必须储备，以及如何通过跨部门协作来平抑备件供应链的波动。阅读过程中，我不断在思考如何将书中提出的“预防性维护的成本效益模型”应用到我们现有的审计流程中，这本书提供了所有必要的工具和论据来支持这种变革。

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这本手册的深度和广度远超我预期的技术指南，它更像是一本关于如何构建一个可持续、高效能维护体系的战略蓝图。我先前读过好几本关于可靠性工程的书籍，但大多侧重于理论公式或软件工具的使用。这本书的独特之处在于，它将技术细节完美地融入到了整个组织架构和流程管理的宏观视角中。它非常强调“生命周期成本分析”（LCC），并用清晰的图表展示了在设备采购初期就纳入维护考虑，如何能大幅降低后期的运营支出。我特别欣赏其中关于“维护资源优化”的章节，书中探讨了如何平衡“计划性维护”与“非计划性停机”之间的资源分配，并提供了一套成熟的决策矩阵，帮助管理者在资源有限的情况下做出最优选择。比如，它详细分析了人员技能矩阵的建立过程，确保关键岗位的知识不会因为人员流动而流失。此外，作者对数字化转型的看法非常超前，并没有盲目推崇最新的物联网技术，而是审慎地分析了在不同成熟度的企业中，引入新技术的切入点和风险控制措施。这本书的文字非常精炼，排版逻辑清晰，让人在阅读复杂概念时也能保持专注，无疑是为中高层维护管理者量身打造的深度读物。

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这本书的章节结构组织得非常具有前瞻性，它似乎将维护工作置于整个企业可持续运营的大图景中进行审视。我尤其欣赏它对“人员培训与知识传承”的关注，这往往是许多维护手册中被忽略的软实力部分。书中详细描述了如何建立一个多层次的培训体系，从基础操作人员到高级分析师，确保技能的连续性，并指出如何将维护工作中的“隐性知识”转化为可文档化的“显性知识”。此外，书中对“环境、健康与安全（EHS）”与预防性维护的融合论述得非常深入。它强调了安全规程的执行本身就是一种最高效的预防措施，例如，如何通过定期的安全检查来发现潜在的设备安全隐患。书中关于“维护绩效指标（KPIs）”的讨论也极具洞察力，它批判了仅仅关注“计划完成率”的狭隘指标，转而推荐使用更具前瞻性的指标，如“平均故障间隔时间（MTBF）的改善趋势”和“首次修复率（FTR）”。这本书不仅教人如何维护机器，更像是在教人如何建立一个对持续改进拥有内在驱动力的组织。它的知识深度足以支撑起一个大型企业的维护部门的全面升级。

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