Micromechanics and Nanosimulation of Metals and Composites pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Schmauder, Siegfried/ Mishnaevsky, Leon, Jr.

出品人:

页数:420

译者:

出版时间:

价格:1387.00元

装帧:

isbn号码:9783540786771

丛书系列:

图书标签:

Micromechanics
Nanosimulation
Metals
Composites
Materials Science
Computational Mechanics
Nanomaterials
Mechanical Properties
Modeling
Simulation

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具体描述

机械设计中的先进材料与结构分析内容简介本书深入探讨了现代机械设计领域中关键的材料科学、先进制造工艺以及结构完整性分析的前沿进展。全书结构严谨，内容涵盖了从微观尺度的材料行为到宏观工程结构的系统性研究，旨在为工程师和研究人员提供一套全面的理论框架和实用的分析工具，以应对复杂载荷条件下的设计挑战。第一部分：先进结构材料的本征特性本部分聚焦于当代高性能工程应用中不可或缺的几类关键材料——高性能金属合金、先进复合材料以及功能性陶瓷材料的内在物理和机械性能。 1. 高熵合金（HEAs）与极端环境下的力学行为本章详细解析了高熵合金（HEAs）的晶体结构特性，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及双相/多相结构的形成机制。重点讨论了这些材料在极高温度、高应变率（如冲击载荷）和腐蚀性介质中的独特机械响应。通过引入计算热力学和相场模拟方法，解释了位错运动、孪晶界形成与材料强化机制之间的复杂关联。内容包括对关键合金体系（如CrMnFeCoNi系、AlCoCrFeNi系）的微观结构演变与蠕变、疲劳寿命的定量评估。特别关注了通过增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术制备HEAs时，可能出现的热影响区（HAZ）结构梯度及其对整体性能的影响。 2. 纤维增强复合材料的界面控制与宏观性能针对航空航天和汽车工业对轻量化、高比强结构的需求，本章深入研究了碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）和陶瓷基复合材料（CMC）的力学建模。重点在于纤维与基体之间的界面结合强度对层合板宏观响应（如层间剪切、穿透韧性）的决定性作用。我们详细阐述了利用反应性界面层或耦合剂来调控界面能的新方法。此外，对不同铺层设计（如[0/±45/90]s）在承受面内拉伸、压缩和弯曲载荷时的应力重分布特性进行了详尽的有限元分析（FEA）验证。对复合材料的冲击损伤（如侵入式冲击和低速冲击）后的残余强度评估方法进行了梳理。 3. 功能梯度材料（FGMs）的梯度设计与热弹性分析本章探讨了材料属性沿空间连续变化的梯度材料的设计哲学。以热障涂层（TBCs）为例，分析了如何通过梯度设计有效缓解热膨胀系数失配导致的残余应力集中问题。内容包括对幂律梯度、指数梯度等常见函数形式的描述，并结合非均质材料的本构关系，推导了在耦合热-力作用下的偏微分方程组。针对FGMs的断裂行为，提出了基于应力强度因子修正的梯度材料断裂韧性评估模型。第二部分：先进制造工艺对结构完整性的影响本部分将视角从材料本身转移到其成形过程，分析了制造过程引入的缺陷和残余应力如何重塑结构的最终性能。 4. 增材制造金属零件的缺陷控制与疲劳寿命预测聚焦于选区激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）工艺，本章系统分析了增材制造过程中凝固速率变化引起的微观结构非均匀性，特别是对孔隙率（Porosity）、未熔合（Lack of Fusion）缺陷的表征技术（如X射线计算机断层扫描，X-CT）。针对这些固有缺陷，提出了考虑缺陷尺寸、形状和空间分布的三维随机缺陷模型。基于此模型，应用概率疲劳理论（如Weibull模型）对AM金属构件的循环载荷下的寿命进行了预测。还探讨了后续热等静压（HIP）处理对消除内部缺陷和优化微观结构的有益效果。 5. 塑性成形过程中的残余应力分析与释放本章侧重于锻造、轧制和深拉伸等大变形塑性加工过程中产生的复杂残余应力场。我们采用增量本构理论描述材料在复杂应力状态下的流动与硬化行为，并通过有限元模拟（如ABAQUS/Explicit）追踪整个成形历史。重点讨论了如何通过精确控制中间退火步骤或最终的热处理工艺来调节残余应力的分布，从而提高零件的尺寸精度和抗疲劳/抗应力腐蚀开裂（SCC）能力。第三部分：复杂载荷下的结构可靠性与失效分析本部分将理论和工艺知识应用于实际的结构可靠性评估，特别是针对动态和极端载荷条件。 6. 接触力学与磨损机制的耦合模型本章详细分析了齿轮、轴承和凸轮机构等关键运动副中的非理想接触问题。引入了基于表面粗糙度的统计接触模型（如Greenwood-Williamson模型），并将其与接触疲劳（麻点腐蚀/点蚀）的萌生和扩展联系起来。内容包括对滑动/滚动复合工况下的三维摩擦学行为的模拟，并提出了预测磨损速率的能量法模型。特别关注了涂层材料（如DLC涂层）在润滑体系失效后的抗磨损性能衰减规律。 7. 动力学响应与随机振动分析本章处理了结构在外部激励（如地震、风荷载、发动机振动）作用下的动态行为。内容包括有限元模型的气动弹性耦合分析，以及求解大型复杂系统（如涡轮叶片）的非线性模态识别技术。针对随机激励问题，详细介绍了谱密度函数（PSD）的应用，并利用蒙特卡洛模拟方法对结构的随机振动响应（如均方根位移和峰值应力）进行了概率性评估，以确定结构在服役寿命内的可靠度指标。 8. 断裂力学在厚大构件中的应用与评估本部分回归基础的失效机制，重点讨论了在压力容器、桥梁梁段等厚大构件中裂纹扩展的评估方法。内容涵盖了从经典的基于应力强度因子（K）的线弹性断裂力学，到更适用的弹塑性断裂力学（EPFM），如J积分和裂纹尖端张开位移（CTOD）。着重介绍了在考虑应变梯度效应的材料（如纳米晶体材料或高强度钢）中，如何修正传统的断裂韧性参数。最后，结合无损检测（NDT）技术的结果，构建了基于裂纹尺寸的剩余寿命预测框架。全书旨在提供一个跨越材料科学、制造技术与结构分析的集成视角，使读者能够理解并掌握现代机械设计中实现高可靠性和长寿命结构的关键科学原理和工程方法。