中國材料工程大典（第1卷 材料工程基礎(chǔ)）

第1篇 材料科學(xué)與工程概論 1 第1章 材料科學(xué)與工程的提出與內(nèi)涵 3 1 材料是人類社會進步的里程碑 3 2 材料科學(xué)的形成與內(nèi)涵 4 3 先進材料是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo) 5 3．1 電子技術(shù)的發(fā)展 5 3．2 光纖通信的誕生 5 3．3 航空航天技術(shù)的進步 6 4 傳統(tǒng)材料(基礎(chǔ)材料)在國民經(jīng)濟中的地位與可持續(xù)發(fā)展 6 5 材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重點 7 5．1 材料制備工藝與技術(shù)的開發(fā) 7 5．2 材料的應(yīng)用研究與開發(fā) 7 5．3 開發(fā)先進材料，發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè) 7 5．4 材料設(shè)計 8 5．5 科學(xué)儀器與檢測裝置 9 第2章 材料科學(xué)基礎(chǔ) 10 1 材料的結(jié)構(gòu) 10 1．1 原子的鍵合 10 1．2 晶態(tài)、非晶態(tài)及其他 12 1．3 晶體缺陷 17 1．4 聚合物的典型結(jié)構(gòu) 22 2 材料的相變 23 2．1 相變熱力學(xué)簡介 22 2．2 凝固與熔化 23 2．3 固體中的擴散 25 2．4 固態(tài)相變 25 3 材料的力學(xué)性質(zhì) 27 3．1 彈性 27 3．2 屈服與范性 27 3．3 斷裂 28 3．4 高聚物的黏性流變 29 4 材料的其他物理性質(zhì) 29 4．1 基本概念 29 4．2 材料的導(dǎo)電性 31 4．3 材料的磁性 32 4．4 介電性與鐵電性 34 第3章 基礎(chǔ)材料與新材料的現(xiàn)狀與發(fā)展 36 1 概述 36 2 鋼鐵材料 36 2．1 分類概況 36 2．2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 36 2．3 發(fā)展趨勢 37 3 有色金屬材料 39 3．1 分類概況 39 3．2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 39 3．3 發(fā)展趨勢 40 4 化工材料 41 4．1 分類概況 41 4．2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 42 4．3 發(fā)展趨勢 42 5 建筑材料 42 5．1 分類概況 42 5．2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 42 5．3 發(fā)展趨勢 43 6 電子信息材料 44 6．1 分類概況 44 6．2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 44 6．3 發(fā)展趨勢 45 7 航空航天材料 47 7．1 歷程與成就 47 7．2 航空材料 47 7．3 航天材料 49 7．4 航空航天關(guān)鍵功能材料 51 8 先進陶瓷材料 51 8．1 結(jié)構(gòu)陶瓷 51 8．2 功能陶瓷 54 8．3 生物陶瓷 55 8．4 先進陶瓷產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢 55 9 先進復(fù)合材料 56 9．1 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 56 9．2 功能復(fù)合材料 59 9．3 先進復(fù)合材料發(fā)展趨勢 60 10 新能源材料 60 10．1 新型二次電池材料 60 10．2 燃料電池材料 62 10．3 太陽電池材料 62 10．4 核能材料 64 11 超導(dǎo)材料 65 11．1 實用NbTi合金超導(dǎo)材料 65 11．2 實用Nb3Sn超導(dǎo)材料 65 11．3 高溫氧化物超導(dǎo)材料 66 11．4 MgB2超導(dǎo)材料 66 11．5 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 67 12 納米材料 68 12．1 納米材料的基本構(gòu)成和特性 68 12．2 納米材料研究發(fā)展的主要方向和內(nèi)容 69 12．3 納米材料的應(yīng)用和發(fā)展 71 13 生物醫(yī)用材料 73 13．1 生物醫(yī)用材料的基本特性 73 13．2 生物醫(yī)用材料的分類 73 13．3 生物醫(yī)用材料的評價試驗和應(yīng)用發(fā)展 74 14 生態(tài)環(huán)境材料 75 14．1 生態(tài)環(huán)境材料的基本概念 75 14．2 生態(tài)環(huán)境材料研究發(fā)展的主要方向和內(nèi)容 77 14．3 生態(tài)環(huán)境材料的研發(fā)趨勢及應(yīng)用 78 第4章 材料與機械制造 81 1 材料在機械制造中的重要性和地位 81 2 機械設(shè)計過程中選材的幾點考慮 84 3 在機械設(shè)計選材過程中容易出現(xiàn)的幾個誤區(qū) 95 4 案例分析 96 參考文獻(xiàn) 102 第2篇 材料成形基礎(chǔ)理論 103 第1章 材料成形的冶金學(xué)原理 105 1 材料成形中的流體流動 105 1．1 基本概念 105 1．2 基本方程 106 1．3 流動阻力 108 1．4 特殊流體流動 109 2 材料成形中的熱量傳輸原理 110 2．1 基本概念 110 2．2 導(dǎo)熱 111 2．3 對流換熱 112 2．4 輻射換熱 113 3 材料成形中的質(zhì)量傳輸原理 114 3．1 基本概念和傳質(zhì)微分方程 114 3．2 分子傳質(zhì) 115 3．3 對流傳質(zhì) 115 4 氣體-液體-固體之間的界面熱力學(xué) 116 4．1 界面能 116 4．2 界面的吸附現(xiàn)象 116 4．3 液體對固體的潤濕性 117 4．4 材料工程與潤濕 119 5 燃燒反應(yīng)的熱力學(xué)及動力學(xué) 121 5．1 燃料的著火 121 5．2 氣體燃料的燃燒 121 5．3 液體燃料的燃燒 122 5．4 固體燃料的燃燒 122 5．5 燃燒計算 123 6 熔液、熔渣與熔劑的性質(zhì) 123 6．1 溶液的活度 123 6．2 熔渣的性質(zhì) 124 6．3 熔劑的性質(zhì) 126 7 氧化還原反應(yīng)原理 126 7．1 氧化反應(yīng)的氧位圖 126 7．2 氧化還原熱力學(xué)條件 127 7．3 幾種典型的氧化還原反應(yīng) 128 第2章 材料成形分析的力學(xué)基礎(chǔ) 131 1 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本概念 131 2 張量分析基礎(chǔ) 131 2．1 張量的基本概念 131 2．2 張量的定義與約定求和法 131 2．3 張量代數(shù) 132 2．4 張量的梯度、散度和奧高公式 132 2．5 各向同性張量 132 2．6 二階張量 132 3 運動與變形 133 3．1 變形幾何學(xué) 133 3．2 運動學(xué) 136 4 應(yīng)力 137 4．1 體力和面力 137 4．2 柯西應(yīng)力張量 137 4．3 其他應(yīng)力張量 137 4．4 應(yīng)力速率 138 5 基本方程和原理 138 5．1 基本方程 138 5．2 邊值問題與初值問題 140 5．3 虛功原理與虛功率原理 140 第3章 液態(tài)金屬的凝固原理 142 1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)及特性 142 1．1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 142 1．2 液態(tài)金屬的主要特性 143 2 金屬材料的凝固生核與長大 147 2．1 材料凝固過程中的均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核 147 2．2 固-液界面結(jié)構(gòu) 148 2．3 凝固晶粒的長大方式 150 3 液態(tài)金屬凝固過程中的傳熱 151 3．1 液態(tài)金屬凝固過程中的傳熱特點 151 3．2 非金屬型鑄造時(如砂型)的凝固傳熱 151 3．3 以界面熱阻為主(如金屬型鑄造)的凝固傳熱 152 4 液態(tài)金屬凝固過程中的溶質(zhì)分配 152 4．1 單相合金的平衡凝固 152 4．2 溶質(zhì)在固相中不擴散，在液相中充分?jǐn)U散的凝固 152 4．3 溶質(zhì)在固相不擴散，在液相中有限擴散而無對流的凝固 153 4．4 固相中無擴散，液相中有限擴散但有對流的凝固 154 5 金屬凝固過程中的"成分過冷"現(xiàn)象及胞晶形態(tài) 154 5．1 "成分過冷"現(xiàn)象及界面生長穩(wěn)定性判據(jù) 154 5．2 "成分過冷"對組織形成的影響 155 5．3 細(xì)胞晶間的溶質(zhì)分配 157 5．4 枝晶臂間距 158 6 共晶凝固及包晶凝固 159 6．1 共晶組織分類 159 6．2 非平衡狀態(tài)的共晶凝固 160 6．3 金屬-金屬共晶凝固 161 6．4 金屬-非金屬共晶凝固 163 6．5 包晶凝固 165 7 定向凝固和快速凝固 166 7．1 定向凝固 166 7．2 快速凝固 168 第4章 液態(tài)材料流動問題的分析方法 173 1 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 173 2 影響流動特性的基本因素 173 2．1 材料的物理屬性 173 2．2 流動空間的幾何特征 174 2．3 流體運動的動力學(xué)條件 174 3 研究流動問題的基本途徑 174 3．1 總體衡算法 174 3．2 微元體衡算法 175 3．3 實驗觀測法 176 4 邊界層理論 176 4．1 邊界層概念 176 4．2 邊界層計算 177 5 相似理論與量綱分析 178 5．1 流體力學(xué)的相似條件 179 5．2 黏性流體流動的力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù) 179 5．3 決定性相似準(zhǔn)數(shù) 180 5．4 量綱分析方法 180 第5章 固體材料的本構(gòu)關(guān)系 183 1 概述 183 1．1 固體材料本構(gòu)關(guān)系的一般原理 183 1．2 塑性成形分析中材料的變形和本構(gòu)關(guān)系的選取 183 2 彈性本構(gòu)方程 183 2．1 線彈性本構(gòu)方程 183 2．2 超彈性本構(gòu)方程 184 3 彈塑性本構(gòu)方程 185 3．1 概述 185 3．2 屈服準(zhǔn)則 185 3．3 流動法則 185 3．4 強化規(guī)律 186 3．5 常用的塑性本構(gòu)關(guān)系 186 3．6 彈塑性問題 187 3．7 熱彈塑性問題 188 4 黏塑性本構(gòu)方程 188 4．1 一維黏塑性模型 189 4．2 一般應(yīng)力狀態(tài)下的黏塑性本構(gòu)方程 189 4．3 常用的黏塑性模型 189 4．4 蠕變問題 189 5 塑性細(xì)觀力學(xué)本構(gòu)關(guān)系 190 5．1 塑性細(xì)觀力學(xué)的基本概念 190 5．2 晶體塑性本構(gòu)方程 190 5．3 細(xì)觀損傷理論 191 5．4 應(yīng)變梯度塑性理論 192 第6章 金屬塑性成形中的摩擦 194 1 金屬塑性成形中的摩擦概論 194 1．1 摩擦對金屬塑性加工的影響 194 1．2 金屬塑性加工時摩擦的特點 194 1．3 目前計算摩擦應(yīng)力的二個常用公式 194 2 塑性成形中摩擦的分類及機理 194 2．1 塑性成形中摩擦的分類 194 2．2 摩擦機理 195 3 影響摩擦因數(shù)的主要因素 195 3．1 金屬的種類和化學(xué)成分 195 3．2 模具的表面狀態(tài) 195 3．3 接觸面上的單位壓力 195 3．4 變形溫度 195 3．5 變形速度 196 4 塑性成形中的潤滑 196 4．1 塑性成形中對潤滑劑的要求 196 4．2 塑性成形中常用的潤滑劑 196 4．3 潤滑劑中的添加劑 197 4．4 塑性成形時的潤滑方法 197 5 不同塑性成形條件下的摩擦因數(shù) 197 第7章 金屬塑性成形分析的近似解析法 199 1 主應(yīng)力法及其應(yīng)用 199 1．1 主應(yīng)力法的基本思想 199 1．2 主應(yīng)力法的應(yīng)用舉例 199 2 塑性成形問題的滑移線解法 200 2．1 平面應(yīng)變的特性 200 2．2 滑移線的定義 200 2．3 滑移線場的基本方程 200 2．4 滑移線場的特征 200 2．5 常見滑移線的類型 200 2．6 應(yīng)用實例 201 3 求解塑性成形問題的上限法 201 3．1 虛功率原理的新形式 201 3．2 間斷概念、動可容速度場 202 3．3 應(yīng)力間斷 202 3．4 速度間斷 202 3．5 上限法基本方程 202 3．6 應(yīng)用實例 203 參考文獻(xiàn) 204 第3篇 材料成形數(shù)值模擬 205 第1章 有限差分法 207 1 差分原理及逼近誤差 207 1．1 差分原理 207 1．2 逼近誤差 207 2 差分方程、截斷誤差和相容性 209 3 收斂性與穩(wěn)定性 210 3．1 收斂性 210 3．2 穩(wěn)定性 211 4 Lax等價定理 213 第2章 彈性問題有限元基本方法 214 1 彈性問題有限元方法的一般過程 214 1．1 離散化過程 214 1．2 單元平衡方程組裝過程 214 1．3 約束處理過程 215 1．4 方程組求解過程 217 1．5 應(yīng)變、應(yīng)力回代過程 220 2 常用單元模型 220 2．1 單元模型分類 220 2．2 單元模型構(gòu)造 221 2．3 等參單元 228 3 線彈性問題幾何方程 228 3．1 三維問題 228 3．2 二維問題 228 4 線彈性問題本構(gòu)方程 228 4．1 三維問題 228 4．2 二維問題 229 5 單元平衡方程列式 229 5．1 三角形單元 229 5．2 四邊形單元 230 5．3 空間單元 231 6 數(shù)值積分 232 6．1 Hammer積分 232 6．2 Gauss積分 232 6．3 數(shù)值積分的階次選擇 233 第3章 板料成形數(shù)值模擬方法 235 1 板殼單元 235 1．1 薄膜單元 235 1．2 薄殼單元 235 1．3 中厚殼單元 237 1．4 等效彎曲單元 239 2 本構(gòu)方程 240 2．1 J2流動理論 241 2．2 J2隨動強化理論 241 2．3 各向異性理論 241 3 各向異性屈眼函數(shù) 242 3．1 Hill正交各向異性函數(shù) 242 3．2 Barlat-Lian屈服函數(shù) 243 3．3 Barlat六參量正交各向異性屈服函數(shù) 243 4 工藝條件約束處理 244 4．1 罰函數(shù)法 244 4．2 防御節(jié)點法 244 4．3 摩擦力的計算 246 4．4 板料沖壓成形界面滑動約束處理 247 5 接觸搜索判斷 247 5．1 工具形狀的定義 247 5．2 接觸判斷 247 6 板料成形有限元方法 248 6．1 非線性方程組迭代解法 248 6．2 板料成形全量拉格朗日(TL)有限元方法 249 6．3 板料成形修正拉格朗日(UL)有限元方法 251 6．4 板料成形虛功率增量型有限元方法 252 6．5 板料成形數(shù)值模擬算例 254 7 板料成形顯式有限元方法 254 7．1 動力分析的虛功(率)方程 254 7．2 動力顯式積分算法有限元方程 254 7．3 顯式時間積分的中心差分算法 255 7．4 臨界時間步長的確定 255 8 板料成形有限元逆算法 256 8．1 有限元逆算法基本理論 256 8．2 初始場猜測 257 8．3 逆算法算例 257 第4章 體積成形數(shù)值模擬方法 259 1 剛塑性有限元法 259 1．1 概述 259 1．2 剛塑性變分原理 261 1．3 剛塑性有限元列式 262 1．4 剛黏塑性有限元法 263 1．5 體積成形過程關(guān)鍵技術(shù) 264 1．6 計算實例 268 2 彈塑性有限元法 269 2．1 小變形彈塑性有限元法 269 2．2 有限應(yīng)變彈塑性有限元分析 271 2．3 有限元反向模擬 274 3 無網(wǎng)格法 275 3．1 概述 275 3．2 無網(wǎng)格法基本原理 275 3．3 有限元與無網(wǎng)格耦合 278 3．4 計算實例 278 第5章 鑄造成形數(shù)值模擬方法 280 1 鑄造凝固過程溫度場數(shù)值模擬 280 1．1 概述 280 1．2 數(shù)學(xué)模型 281 1．3 基于有限差分方法的離散 281 1．4 初始條件與邊界條件 282 1．5 潛熱處理 283 1．6 溫度場數(shù)值模擬流程圖 286 2 鑄造充型過程數(shù)值模擬 286 2．1 概述 286 2．2 數(shù)學(xué)模型 287 2．3 數(shù)學(xué)模型的離散 288 2．4 SOLA-VOF方法 289 2．5 初始條件與邊界條件 290 2．6 數(shù)值穩(wěn)定性條件 291 2．7 流動與傳熱耦合計算 292 2．8 流動場數(shù)值模擬流程圖 292 第6章 塑料注射成形數(shù)值模擬方法 294 1 注射成形CAE概述 294 1．1 注射成形CAE的概念 294 1．2 注射成形CAE的發(fā)展概況 294 1．3 注射成形CAE的發(fā)展趨勢 294 2 充模過程模擬 295 2．1 充模過程的數(shù)學(xué)描述 295 2．2 壓力場的計算 296 2．3 熔體流動前沿位置的確定 297 2．4 溫度場數(shù)值求解 297 2．5 數(shù)值計算過程 298 3 保壓過程模擬 298 3．1 保壓模擬的重要性 298 3．2 保壓過程的數(shù)學(xué)模型 298 3．3 塑料熔體的特性模型 298 3．4 保壓模擬數(shù)值計算過程 299 4 冷卻過程模擬 299 4．1 一維冷卻分析 299 4．2 維冷卻分析 300 4．3 三維冷卻分析 301 5 應(yīng)力分析 302 5．1 基本假設(shè) 302 5．2 保壓過程中的內(nèi)應(yīng)力模型 302 5．3 冷卻過程中的內(nèi)應(yīng)力模型 303 6 翹曲變形計算 304 6．1 翹曲變形計算的基本原理 304 6．2 線性翹曲變形有限元分析的數(shù)學(xué)模型 304 6．3 幾何非線性翹曲變形有限元分析的數(shù)學(xué)模型 307 7 注射成形模擬技術(shù)新進展 308 7．1 傳統(tǒng)CAE軟件的局限性 308 7．2 理論與實現(xiàn) 308 7．3 軟件介紹 310 第7章 常用材料成形軟件簡介 311 1 沖壓成形模擬軟件 311 1．1 FASTAMP軟件 311 1．2 DYNAFORM軟件 313 1．3 AUTOFORM軟件 314 2 體積成形模擬軟件 316 2．1 概述 316 2．2 DEFORM軟件 316 2．3 Marc／AutoForge軟件 317 3 鑄造成形模擬軟件 320 3．1 使用范圍 320 3．2 分析內(nèi)容 320 3．3 缺陷預(yù)測 320 3．4 軟件特點 320 3．5 軟件功能 320 3．6 華鑄CAE應(yīng)用實例 321 4 塑料注射成形模擬軟件 322 4．1 常用軟件簡介 322 4．2 注射成形CAE分析結(jié)果的指導(dǎo)意義 323 4．3 應(yīng)用實例 324 參考文獻(xiàn) 327 第4篇 材料成形優(yōu)化設(shè)計方法 329 第1章 概論 331 1 材料成形優(yōu)化設(shè)計方法在現(xiàn)代制造業(yè)中的地位和作用 331 2 材料成形優(yōu)化設(shè)計方法概述 331 2．1 金屬體積塑性成形優(yōu)化設(shè)計方法 331 2．2 金屬板料沖壓成形優(yōu)化設(shè)計方法 333 2．3 注塑成形優(yōu)化設(shè)計方法 333 2．4 鑄造成形優(yōu)化設(shè)計方法 333 2．5 焊接成形優(yōu)化設(shè)計方法 334 3 21世紀(jì)材料成形優(yōu)化設(shè)計方法發(fā)展展望 334 第2章 工程優(yōu)化設(shè)計方法 336 1 工程優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型 336 2 工程優(yōu)化問題的迭代算法 337 3 無約束優(yōu)化方法 338 3．1 一維搜索方法 338 3．2 梯度法 339 3．3 牛頓法 340 3．4 變尺度法 340 4 約束優(yōu)化方法 340 4．1 Lagrange乘子法 340 4．2 外部懲罰函數(shù)法(外點法) 342 4．3 內(nèi)部懲罰函數(shù)法(內(nèi)點法) 343 5 多目標(biāo)優(yōu)化問題的解法 343 第3章 基于有限元模擬技術(shù)的反向模擬式設(shè)計 344 1 有限元反向模擬技術(shù)的原理 344 2 反向模擬關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù) 345 2．1 反向模擬與預(yù)成形設(shè)計的步驟 345 2．2 加工硬化現(xiàn)象的處理 346 2．3 預(yù)鍛模模腔形狀設(shè)計 346 2．4 預(yù)鍛件形狀的選擇及工序數(shù)目的確定 346 2．5 反向模擬過程中動態(tài)邊界條件的確定 346 2．6 有限元反向模擬系統(tǒng)的構(gòu)造 347 3 縮口過程的反向模擬及預(yù)成形設(shè)計 347 3．1 室溫縮口過程的預(yù)成形設(shè)計 347 3．2 熱縮口成形過程的預(yù)成形設(shè)計 348 4 反向模具接觸跟蹤方法 350 4．1 邊界條件的確定 350 4．2 序數(shù)目的確定 350 4．3 通用透平圓盤鍛造過程的預(yù)成形設(shè)計 350 5 基于鍛件形狀復(fù)雜程度的控制準(zhǔn)則 354 5．1 工件形狀復(fù)雜系數(shù)及邊界條件控制準(zhǔn)則 354 5．2 預(yù)成形設(shè)計應(yīng)用舉例 354 第4章 剛(黏)塑性有限元靈敏度分析與模具優(yōu)化設(shè)計 358 1 剛(黏)塑性有限元基本方程 358 2 目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計變量 358 3 靈敏度分析 359 4 速度靈敏度邊界條件 360 5 溫度場靈敏度分析 361 6 模具優(yōu)化設(shè)計方法的應(yīng)用技術(shù) 362 6．1 模具優(yōu)化設(shè)計步驟 362 6．2 體積損失的調(diào)整 363 6．3 有限元網(wǎng)格再劃分 365 6．4 提高程序運算速度的方法 365 7 少無鼓形圓柱體鐓粗過程的優(yōu)化設(shè)計 365 8 模具有型腔的鍛造過程優(yōu)化設(shè)計 366 8．1 H型截面軸對稱鍛件鍛造過程(型腔高徑比h／b=1) 366 8．2 H型截面鍛件鍛造過程(型腔高徑比h／b=2) 367 8．3 齒輪坯鍛造過程的優(yōu)化設(shè)計 368 9 鍛件毛坯形狀優(yōu)化設(shè)計方法 369 9．1 目標(biāo)函數(shù) 369 9．2 優(yōu)化設(shè)計實例 370 10 鍛件變形均勻性優(yōu)化控制 372 10．1 目標(biāo)函數(shù) 372 10．2 靈敏度分析 372 10．3 應(yīng)用實例 373 第5章 金屬塑性成形過程的微觀組織優(yōu)化 374 1 微觀組織演變模型 374 2 金屬塑性成形過程微觀組織模擬與優(yōu)化的基本算法 374 2．1 遺傳算法 375 2．2 靈敏度分析方法 376 3 微觀組織模擬與優(yōu)化實例 376 3．1 H形鍛件成形過程組織模擬與優(yōu)化 376 3．2 熱擠壓成形過程的微觀組織模擬與優(yōu)化 377 3．3 基于靈敏度分析方法的微觀組織模擬與優(yōu)化 378 3．4 基于遺傳算法的微觀組織模擬與優(yōu)化 380 第6章 穩(wěn)態(tài)金屬成形過程優(yōu)化設(shè)計 383 1 穩(wěn)態(tài)成形過程優(yōu)化設(shè)計問題 383 2 設(shè)計靈敏度分析 384 3 二維擠壓模具形狀優(yōu)化設(shè)計 384 4 三維擠壓模具形狀優(yōu)化設(shè)計 386 4．1 設(shè)計模型 386 4．2 優(yōu)化實例 387 第7章 板料沖壓工藝優(yōu)化設(shè)計 391 1 板料沖壓工藝及其質(zhì)量要求 391 2 板料沖壓工藝優(yōu)化的意義 391 3 板料成形常用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法 391 3．1 正交實驗法 392 3．2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 392 3．3 響應(yīng)面法 393 4 沖裁工藝中的毛坯排樣優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用 393 4．1 沖裁工藝中的排樣技術(shù)及排樣方法 393 4．2 提高材料利用率的途徑 394 4．3 毛坯排樣的優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用 394 5 彎曲工藝中回彈和下料尺寸控制的優(yōu)化技術(shù) 395 5．1 彎曲工藝中下料尺寸控制的優(yōu)化技術(shù) 395 5．2 彎曲工藝中回彈控制的優(yōu)化方法 396 6 板料拉深成形中的缺陷控制與工藝優(yōu)化技術(shù) 397 6．1 基于增量有限元數(shù)值模擬的毛坯下料形狀的優(yōu)化 397 6．2 板料拉深成形中的拉深肋設(shè)計優(yōu)化 398 6．3 板料拉深成形壓邊力優(yōu)化 398 6．4 基于正交試驗和增量有限元數(shù)值模擬的工藝方案優(yōu)化 399 7 激光板料成形過程模擬與優(yōu)化設(shè)計 400 7．1 激光板料成形過程的數(shù)值模擬 400 7．2 基于遺傳算法的激光板料成形優(yōu)化 403 8 多點成形技術(shù)工藝優(yōu)化 405 8．1 多點成形技術(shù) 405 8．2 分段成形過渡區(qū)最優(yōu)化問題描述 406 8．3 算法描述 406 8．4 應(yīng)用實例 406 第8章 塑料注射成形過程的優(yōu)化設(shè)計 408 1 成形方案的優(yōu)化設(shè)計 408 1．1 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 408 1．2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 409 2 注射成形工藝參數(shù)的優(yōu)化 410 3 充填模式優(yōu)化 413 4 注射成形模擬軟件及其智能化 414 4．1 注射成形模擬軟件 414 4．2 模擬軟件的智能化 415 第9章 鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計 417 1 澆注位置 417 2 分型面 417 3 澆注系統(tǒng) 418 3．1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則 418 3．2 澆注系統(tǒng)的形式及適用情況 418 4 冒口 419 4．1 冒口設(shè)計優(yōu)化原則 419 4．2 冒口優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型 419 5 鑄件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 420 5．1 持件壁厚及其結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化 420 5．2 不同鑄造合金鑄件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化原則 421 6 鑄造工藝的CAD-CAE在鑄造工藝優(yōu)化中的作用 422 7 熔煉過程配料的成本優(yōu)化計算 423 7．1 線性規(guī)劃方法 423 7．2 配料計算中線性規(guī)劃問題的建模 423 7．3 配料計算中線性規(guī)劃問題的標(biāo)準(zhǔn)化 424 7．4 使用單純形法解決配料問題的具體步驟 424 第10章 焊接工藝優(yōu)化設(shè)計 426 1 焊接材料優(yōu)化設(shè)計 426 1．1 焊條配方的優(yōu)化設(shè)計 426 1．2 藥芯焊絲的計算機輔助優(yōu)化設(shè)計 427 1．3 焊劑優(yōu)化設(shè)計 427 1．4 埋弧焊焊絲和焊劑優(yōu)化選配 429 2 焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 431 2．1 焊接變形與焊接應(yīng)力 431 2．2 減小焊接變形與應(yīng)力的方法 432 2．3 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 433 2．4 焊縫金屬與母材強度匹配的優(yōu)化選擇 433 2．5 焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實例 433 3 焊接電源的優(yōu)化設(shè)計 434 3．1 弧焊電源優(yōu)化設(shè)計過程 434 3．2 晶閘管弧焊電源優(yōu)化設(shè)計實例 434 4 焊接方法及焊接規(guī)范優(yōu)化設(shè)計 435 4．1 焊接方法的分類 435 4．2 焊接方法的優(yōu)化選擇 435 4．3 CO2氣體保護焊焊接規(guī)范的優(yōu)化設(shè)計 437 5 焊接工程成本分析優(yōu)化設(shè)計 437 5．1 焊接工程多階段決策問題優(yōu)化設(shè)計 437 5．2 焊接成本優(yōu)化分析 439 第11章 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與成形工藝仿真優(yōu)化技術(shù) 440 1 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計方法與平臺 440 2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化技術(shù) 441 3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的快速成形與快速模具制造技術(shù) 442 3．1 快速原型制造技術(shù)及其分類 442 3．2 快速模具制造技術(shù)及其分類 442 4 產(chǎn)品構(gòu)件成形工藝與模具虛擬仿真優(yōu)化設(shè)計技術(shù) 443 5 產(chǎn)品設(shè)計與制造的集成技術(shù)應(yīng)用實例 445 參考文獻(xiàn) 448 第5篇 材料失效分析 451 第1章 概論 453 1 失效分析預(yù)測預(yù)防的地位與作用 453 2 與安全和失效有關(guān)的術(shù)語定義 453 2．1 安全的定義、內(nèi)涵和外延 453 2．2 與失效有關(guān)的術(shù)語定義 453 3 失效的分類 454 4 失效分析預(yù)測預(yù)防的特點和屬性 456 4．1 失效、失效分析的特點和屬性 456 4．2 失效分析預(yù)測預(yù)防與相關(guān)學(xué)科、技術(shù)之間的關(guān)系 456 4．3 失效分析預(yù)測預(yù)防應(yīng)注意的事項和對人員素質(zhì)的要求 456 4．4 失效分析預(yù)測預(yù)防的技術(shù)工作 457 5 失效分析預(yù)測預(yù)防的步驟和程序 458 6 失效分析的預(yù)測預(yù)防的常用分析思路 459 6．1 殘骸分析法 459 6．2 統(tǒng)計圖表分析法 460 6．3 文字表格法 461 6．4 失效樹分析法 464 6．5 失效模擬和加速失效模式模擬試驗方法 468 6．6 失效的事后處理及失效預(yù)防 468 7 失效分析預(yù)測預(yù)防的發(fā)展趨勢 474 7．1 失效診斷的理論、技術(shù)和方法的進展 475 7．2 失效預(yù)測的理論、技術(shù)和方法的進展 477 7．3 失效預(yù)防的理論、技術(shù)和方法的進展 479 8 結(jié)束語 480 第2章 失效診斷技術(shù)和方法 481 1 斷口診斷技術(shù)和方法 481 1．1 斷口準(zhǔn)備 481 1．2 斷口診斷儀器設(shè)備和技術(shù) 482 1．3 斷口形貌診斷技術(shù)和方法 484 1．4 斷口定量診斷技術(shù)和方法 491 2 裂紋診斷技術(shù)和方法 496 2．1 裂紋的無損檢測 497 2．2 裂紋產(chǎn)生先后順序診斷技術(shù)和方法 497 2．3 裂紋的形貌診斷 497 2．4 裂紋綜合診斷 500 3 痕跡診斷技術(shù)和方法 502 3．1 痕跡及痕跡分析概述 502 3．2 痕跡的發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)技術(shù)和方法 503 3．3 痕跡的提取、固定、清洗、記錄和保存技術(shù)和方法 503 3．4 痕跡的鑒定 503 3．5 痕跡的模擬再現(xiàn) 512 3．6 痕跡的綜合分析 512 4 失效(腐蝕，磨損)產(chǎn)物的診斷技術(shù)和方法 512 4．1 失效產(chǎn)物的形貌診斷 513 4．2 失效產(chǎn)物的成分診斷 513 4．3 失效產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)診斷 513 5 綜合診斷技術(shù)和方法 513 5．1 失效診斷的思路和程序 513 5．2 失效模式(性質(zhì))診斷技術(shù)和方法 514 5．3 失效原因診斷技術(shù)和方法 526 5．4 失效機理診斷技術(shù)和方法 533 6 智能診斷技術(shù)和方法 536 6．1 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù) 536 6．2 專家系統(tǒng)在診斷中的應(yīng)用 537 6．3 失效案例庫及其應(yīng)用 538 第3章 失效預(yù)測技術(shù)和方法 540 1 以失效模式為基礎(chǔ)的失效預(yù)測技術(shù)和方法 540 1．1 金屬材料失效抗力預(yù)測 540 1．2 斷裂失效預(yù)測 546 1．3 疲勞斷裂失效預(yù)測 553 1．4 磨損失效預(yù)測 558 1．5 非金屬構(gòu)件的失效預(yù)測 564 2 以工程力學(xué)為基礎(chǔ)的失效預(yù)測技術(shù)和方法 568 2．1 以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的失效預(yù)測預(yù)防技術(shù)和方法 568 2．2 以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的失效預(yù)測技術(shù)和方法 573 2．3 以疲勞力學(xué)為基礎(chǔ)的失效預(yù)測技術(shù)和方法 576 2．4 以損傷力學(xué)為基礎(chǔ)的失效預(yù)測技術(shù)和方法 581 3 以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的失效預(yù)測技術(shù)和方法 585 3．1 失效分析概率統(tǒng)計基礎(chǔ) 585 3．2 失效分析隨機過程基礎(chǔ) 594 3．3 失效分析中隨機變量和隨機過程的模擬方法 598 3．4 斷裂失效概率預(yù)測 600 3．5 疲勞失效概率預(yù)測 602 3．6 安全系數(shù)的統(tǒng)計分析 606 4 以可靠性工程為基礎(chǔ)的失效預(yù)測技術(shù)和方法 608 4．1 可靠性的基本概念和數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 608 4．2 靜強度可靠性的失效預(yù)測技術(shù)和方法 609 4．3 疲勞壽命可靠性的失效預(yù)測技術(shù)和方法 616 第4章 安全評定技術(shù)和方法 623 1 概述 623 1．1 安全評定的一般原則 624 1．2 失效模式的判別 624 2 斷裂和塑性失效確定性安全評定技術(shù)和方法 624 2．1 檢測及評定程序 624 2．2 確定性安全評定方法的分類 625 2．3 安全系數(shù)的選取和確定 626 2．4 平面缺陷的確定性安全評定 626 2．5 體積缺陷的確定性安全評定 645 3 疲勞失效確定性評定技術(shù)和方法 649 3．1 材料疲勞性能參數(shù)的獲取 649 3．2 應(yīng)力變動和累積損傷 651 3．3 確定性疲勞評定 652 4 其他失效模式的確定性安全評定技術(shù)和方法 656 4．1 剩余截面超載屈服 656 4．2 破裂前的泄漏分析(LBB) 656 4．3 環(huán)境的影響 657 4．4 失穩(wěn)(或變形過大，壓曲) 660 4．5 蠕變 660 5 概率安全評定方法 661 5．1 安全評定分析中不確定性影響因素 661 5．2 含裂紋結(jié)構(gòu)缺陷的統(tǒng)計方法 662 5．3 靜載下(含平面缺陷)概率安全評定方法 664 5．4 疲勞載荷下概率安全評定方法 665 6 工業(yè)風(fēng)險評估及其主要方法和應(yīng)用 667 6．1 概述 667 6．2 風(fēng)險評估的主要任務(wù) 668 6．3 風(fēng)險評估的主要方法 670 6．4 風(fēng)險評估的主要應(yīng)用 672 6．5 風(fēng)險評估近年來的主要進展 674 7 安全評定技術(shù)的其他發(fā)展趨勢 675 7．1 安全評定技術(shù)的發(fā)展趨勢 675 7．2 模糊安全評定技術(shù) 675 7．3 智能安全評定技術(shù) 676 第5章 失效預(yù)防技術(shù)和方法 677 1 失效的工程預(yù)防技術(shù)和方法 677 1．1 抗斷裂失效設(shè)計技術(shù) 677 1．2 制造工藝及質(zhì)量控制技術(shù) 678 1．3 表面防護與強化工藝技術(shù) 680 1．4 故障監(jiān)測與檢測技術(shù) 682 1．5 故障排除與修理技術(shù) 683 2 抗失效的材料選擇和材料設(shè)計技術(shù)與方法 685 2．1 抗變形失效材料的選擇和設(shè)計方法 685 2．2 抗斷裂失效材料的選擇和設(shè)計方法 687 2．3 抗腐蝕失效材料的選擇和設(shè)計方法 690 2．4 抗磨損失效材料的選擇和設(shè)計方法 692 3 抗失效的機械設(shè)計技術(shù)和方法 697 3．1 抗脆斷設(shè)計技術(shù)和方法 697 3．2 抗韌斷設(shè)計技術(shù)和方法 700 3．3 抗疲勞設(shè)計技術(shù)和方法 700 3．4 杭環(huán)境失效設(shè)計技術(shù)和方法 706 4 可靠性設(shè)計技術(shù)和方法 707 4．1 可靠性設(shè)計基本概念 707 4．2 可靠性設(shè)計方法 711 4．3 可靠性設(shè)計的步驟 713 參考文獻(xiàn) 715 第6篇 材料強度設(shè)計 717 第1章 概論 719 1 強度設(shè)計的目的與作用 719 2 材料強度設(shè)計方法 720 2．1 常規(guī)強度理論 720 2．2 現(xiàn)代機械強度理淪 720 第2章 材料靜強度設(shè)計 721 1 材料的靜載拉伸特性 721 1．1 材料的力學(xué)特性和軟性系數(shù) 721 1．2 靜載拉伸試驗 721 1．3 拉伸曲線 721 1．4 幾種典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 722 2 材料的力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 722 2．1 強度指標(biāo) 722 2．2 塑性指標(biāo) 723 2．3 材料強度、塑性與韌性的合理配合 724 3 材料的彎曲特性 724 3．1 靜彎曲試驗的特點 724 3．2 材料彎曲的力學(xué)性能指標(biāo) 725 3．3 彎曲試驗的應(yīng)用 725 4 材料的扭轉(zhuǎn)特性 725 4．1 靜扭轉(zhuǎn)試驗的特點 725 4．2 材料扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能指標(biāo) 726 5 材料的壓縮特性 727 6 缺口對靜加載下力學(xué)性能的影響 728 6．1 缺口效應(yīng) 728 6．2 應(yīng)變集中和缺口截面應(yīng)力分市的變化 728 6．3 缺口靜拉伸及斜拉伸試驗 729 7 材料靜強度設(shè)計的一般方法 730 7．1 強度判據(jù) 730 7．2 靜應(yīng)力下的安全系數(shù) 730 7．3 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強度理論 731 第3章 材料的斷裂韌度設(shè)計 733 1 材料斷裂韌度設(shè)計概要 733 2 斷裂力學(xué)原理與方法 733 2．1 裂紋的基本類型 733 2．2 應(yīng)力強度因子與斷裂判據(jù) 734 2．3 確定應(yīng)力強度因子的方法 737 2．4 材料斷裂韌度 746 2．5 彈塑性斷裂力學(xué)的基本理論與判據(jù) 746 3 裂紋擴展計算 747 3．1 疲勞裂紋擴展速率的基本公式 747 3．2 超載延遲效應(yīng)對疲勞裂紋擴展的影響 748 3．3 恒幅疲勞載荷下的裂紋擴展壽命計算 748 3．4 變幅疲勞載荷下的裂紋擴展壽命計算 748 3．5 應(yīng)力腐蝕裂紋擴展壽命計算 748 3．6 腐蝕疲勞裂紋擴展壽命 749 3．7 剩余壽命計算示例 749 4 斷裂韌度設(shè)計結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計要求 750 4．1 斷裂韌度設(shè)計結(jié)構(gòu)類型的選擇原則 750 4．2 危險部位的選擇 750 4．3 實際缺陷與當(dāng)量裂紋 751 4．4 斷裂判據(jù) 751 4．5 剩余強度分析 755 4．6 工程實際問題的簡化處理方法 755 5 破損安全結(jié)構(gòu)斷裂控制 756 5．1 結(jié)構(gòu)布局 756 5．2 材料選擇 756 5．3 細(xì)節(jié)設(shè)計 756 5．4 裂紋檢測 757 第4章 材料沖擊強度設(shè)計 758 1 沖擊載荷作用下材料的力學(xué)響應(yīng) 758 2 沖擊載荷下材料的損傷和破壞 758 3 材料的應(yīng)變率響應(yīng) 760 3．1 復(fù)合材料的高應(yīng)變率響應(yīng) 760 3．2 金屬材料的應(yīng)變率響應(yīng) 761 4 材料在沖擊載荷作用下的性能指標(biāo) 763 4．1 動態(tài)斷裂韌性 763 4．2 沖擊試驗和沖擊性能指標(biāo) 763 第5章 材料疲勞強度設(shè)計 765 1 概述 765 1．1 疲勞的分類 765 1．2 疲勞強度設(shè)計方法 765 2 疲勞強度設(shè)計中的參量及處理 766 2．1 疲勞載荷 766 2．2 材料疲勞性能數(shù)據(jù) 767 3 影響材料疲勞強度的因素 783 3．1 應(yīng)力集中影響 783 3．2 尺寸的影響 799 3．3 表面狀況影響 800 3．4 載荷狀況 803 4 常規(guī)疲勞強度設(shè)計 805 4．1 安全系數(shù) 806 4．2 疲勞損傷累積 809 4．3 無限壽命設(shè)計 810 4．4 有限壽命設(shè)計 811 5 現(xiàn)代疲勞強度設(shè)計 813 5．1 ε-N曲線 813 5．2 循環(huán)σ-ε曲線 815 5．3 應(yīng)變-壽命曲線的獲得與低周疲勞壽命占算 818 5．4 局部應(yīng)力應(yīng)變分析 820 5．5 裂紋形成壽命的估算 822 6 接觸疲勞強度設(shè)計 824 6．1 接觸疲勞失效機理 824 6．2 接觸應(yīng)力 824 6．3 接觸疲勞強度計算 825 第6章 材料強度概率設(shè)計 827 1 強度概率設(shè)計原理 827 1．1 概率設(shè)計的特點與步驟 827 1．2 應(yīng)力-強度分布干涉理論與可靠度的一般表達(dá)式 827 1．3 應(yīng)力分布的確定 827 1．4 隨機變量函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的近似計算 828 1．5 強度分布的確定 829 1．6 已知應(yīng)力和強度分布時的可靠度計算 829 2 概率設(shè)計常用的隨機變量及其分布 830 2．1 分布特征 830 2．2 正態(tài)分布 831 2．3 對數(shù)正態(tài)分布 832 2．4 威布爾(Weibull)分布 833 2．5 I型極值分布(Gumbel分布) 833 2．6 X2分布、F分布和t分布 834 3 參數(shù)估計 835 3．1 截尾數(shù)據(jù) 835 3．2 極大似然估計 836 3．3 風(fēng)險圖 836 3．4 概率圖 836 3．5 矩估計 836 3．6 指數(shù)分布參數(shù)估計 836 3．7 正態(tài)分布 838 3．8 對數(shù)正態(tài)分布 841 3．9 威布爾分布 841 3．10 選擇恰當(dāng)?shù)姆植己瘮?shù)的意義 843 4 隨機變量分布類型的假設(shè)檢驗 844 4．1 分布類型的假設(shè)檢驗 844 4．2 正態(tài)及對數(shù)正態(tài)分布的分析法 847 4．3 威布爾分布的分析法 856 5 靜強度概率設(shè)計方法 867 5．1 靜強度概率設(shè)計的特點、內(nèi)容與方法 867 5．2 應(yīng)力-強度干涉模型與失效概率計算 867 5．3 蒙特卡羅方法 868 5．4 有多種失效模式的失效概率 870 5．5 可靠度的置信度和置信區(qū)間 870 第7章 材料的環(huán)境強度設(shè)計 887 1 材料的高溫強度 887 1．1 高溫短時拉伸強度 887 1．2 高溫硬度 888 1．3 蠕變及持久強度 888 1．4 高溫疲勞 889 2 材料的低溫強度 897 2．1 低溫瞧斷 897 2．2 低溫疲勞 899 3 材料熱疲勞強度 901 3．1 熱應(yīng)力與熱疲勞 901 3．2 熱疲勞強度計算 901 4 材料在腐蝕介質(zhì)中的強度 903 4．1 應(yīng)力腐蝕開裂 903 4．2 腐蝕疲勞 904 第8章 特殊材料的強度問題 913 1 復(fù)合材料 913 2 聚合物 913 2．1 聚合物的結(jié)構(gòu)特點與力學(xué)狀態(tài) 913 2．2 聚合物的時間效應(yīng)和時-溫等效原理 915 2．3 聚合物的力學(xué)性能 916 3 陶瓷材料 919 3．1 陶瓷材料的彈性性能 919 3．2 陶瓷材料的強度及其影響因素 921 3．3 陶瓷材料的斷裂韌度 922 3．4 陶瓷材料的抗熱震性 923 3．5 陶瓷材料的疲勞 924 3．6 陶瓷材料的短裂紋行為 924 參考文獻(xiàn) 925