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出版者:

作者:Pistikopoulos, Efstratios (EDT)/ Georgiadis, Michael (EDT)

出品人:

页数:348

译者:

出版时间:2008-10

价格:1737.00

装帧:

isbn号码:9783527316946

丛书系列:

图书标签:

• Process Systems Engineering
• Chemical Engineering
• Process Design
• Optimization
• Modeling
• Simulation
• Control
• Sustainability
• Data Analysis
• Systems Thinking

书名：先进材料与结构设计原理 图书简介 本书系统阐述了现代工程领域中先进材料的选择、性能评估、以及与之匹配的结构设计方法与前沿技术。全书内容涵盖了从微观材料结构到宏观工程应用的全过程，旨在为材料科学家、结构工程师以及相关领域的研究人员提供一部兼具理论深度与实践指导价值的专业参考书。 第一部分：先进材料的微观结构与宏观性能 本部分深入探讨了构成现代工程系统的关键材料的内在机制。我们首先从原子和晶体层面解析了材料的本征属性，包括晶格缺陷、晶界效应以及相变动力学对材料力学、热学和电学性能的影响。 第一章：高性能合金的组织控制与强化机制 详细介绍了新一代镍基高温合金、钛合金以及高熵合金的冶金过程。重点剖析了沉淀强化、固溶强化、位错强化和晶粒细化等多种强化机制。通过大量的实验数据和计算模拟结果，展示了如何通过精确控制冷却速率和热处理工艺，实现特定微观组织（如$gamma'$相的尺寸与分布）与宏观性能（如蠕变寿命和疲劳抗力）之间的优化耦合。特别关注了增材制造（Additive Manufacturing, AM）过程中材料的快速凝固对微观结构异质性的影响及其对最终部件性能的制约。 第二章：功能性与智能材料 本章聚焦于那些在特定外界刺激下能表现出显著功能变化的材料。内容包括压电陶瓷、形状记忆合金（SMA）、磁性形状记忆合金（MSMA）以及相变复合材料。深入分析了这些材料的本构关系，特别是其耦合场（如热-力-电耦合）下的非线性响应。讨论了如何利用这些材料在传感器、执行器和智能阻尼系统中实现高能效和高可靠性的应用。例如，详细阐述了SMA在自修复结构中的工作原理及其在疲劳损伤检测中的潜力。 第三章：复合材料的界面科学与失效分析 复合材料是现代结构设计不可或缺的一部分。本章侧重于纤维/基体界面的作用，这是决定复合材料整体性能的关键因素。分析了不同增强体（碳纤维、玻璃纤维、纳米颗粒）与基体（环氧树脂、聚合物、金属、陶瓷）之间的化学键合和物理锚固机制。通过分析界面脱粘、裂纹扩展路径以及纤维断裂模式，建立了多尺度失效模型，用以预测层合板在复杂载荷条件下的极限承载能力。针对热塑性复合材料，讨论了其在加工过程中的流动特性和纤维取向对结构强度的各向异性影响。 第二部分：先进结构设计与可靠性工程 本部分将材料的性能转化为可靠、高效的工程结构设计。核心在于如何将材料科学的成果融入到结构力学和优化算法中。 第四章：基于性能的结构设计（Performance-Based Design） 摒弃传统的基于许用应力的设计范式，本章倡导基于目标性能指标（如特定寿命、损伤容限、功能可靠性）的反向设计流程。详细介绍了极限状态分析、概率极限状态设计方法，以及如何集成非线性有限元分析（FEA）来模拟材料的复杂本构行为（如塑性、蠕变、损伤累积）。重点阐述了疲劳寿命预测的先进方法，包括应力-应变寿命法、线性断裂韧性法以及引入多尺度损伤演化模型的混合方法。 第五章：拓扑优化与增材制造结构设计 增材制造技术（如选区激光熔化SLM、电子束熔化EBM）为结构设计带来了前所未有的自由度。本章探讨了如何利用拓扑优化（Topology Optimization, TO）技术在给定的设计空间内，生成满足特定载荷和边界条件的最佳材料分布。详细介绍了密度法、水平集方法以及基于水平集法的梯度信息获取。更重要的是，本章强调了“制造约束下的优化设计”（Design for Additive Manufacturing, DfAM），探讨了如何解决增材制造过程中的残余应力、热梯度、孔隙率控制以及支撑结构设计等关键制造瓶颈，确保优化后的轻量化结构能够真实、可靠地制造出来。 第六章：多物理场耦合下的结构完整性评估 现代工程环境往往涉及多个物理场的协同作用，例如在航空航天器中，结构同时承受高低温载荷和辐射环境。本章深入研究了多物理场耦合问题，包括热-结构耦合、压电效应耦合、以及化学侵蚀对力学性能的退化作用（如氢脆、应力腐蚀开裂SCC）。介绍了有限元方法中处理非线性边界条件和时间依赖性问题的数值技术，如隐式和显式时间积分方案。特别关注了结构在极端环境下的寿命预测与安全评估。 第七章：先进监测、寿命预测与结构健康管理（SHM） 本章探讨了如何利用现代传感技术和数据分析技术对在役结构进行实时、无损的评估。内容包括基于光纤布拉格光栅（FBG）、超声波导、以及导电聚合物的结构健康监测系统（SHMS）的原理与部署。重点阐述了如何将传感器采集到的实时数据（如应变场、裂纹扩展速度）反馈到结构寿命预测模型中，实现从“定期检查”到“状态基维护”（Condition-Based Maintenance, CBM）的转变。讨论了利用机器学习和深度学习方法从海量监测数据中自动识别早期损伤特征的有效途径。 第八章：超材料与结构仿生设计 本章展望了面向未来工程挑战的前沿结构设计理念。超材料（Metamaterials）因其可设计的有效介质参数，在声学、电磁学和力学领域展现出巨大潜力。详细介绍了机械超材料（Mechanical Metamaterials）的设计，特别是具有负泊松比的桁架结构（如拉胀结构Auxetic Structures）在提高冲击吸能和抗穿透能力方面的应用。同时，分析了仿生学在结构设计中的启发作用，例如模仿骨小梁结构以实现轻量化和优异的韧性。 本书的编写风格严谨、逻辑清晰，大量引用了最新的科研进展和工业案例，配有大量的图表和计算示例，是高级工程教育和工业研发人员不可或缺的工具书。

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