非均質(zhì)材料電磁力學(xué)與功能設(shè)計

前言

　　本書的主要讀者是力學(xué)、宇航、電磁和車輛等專業(yè)高年級的本科生和攻讀工學(xué)博士、碩士學(xué)位的研究生以及企事業(yè)單位的科技人員，這些群體大多首次接觸非均質(zhì)材料電磁力學(xué)問題，該領(lǐng)域系統(tǒng)文獻(xiàn)并不多見，科研起步需要借鑒資料。近十年來，國內(nèi)外諸多研究學(xué)者對該領(lǐng)域研究均做出了貢獻(xiàn)，作者對該領(lǐng)域也進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，考慮到國內(nèi)外關(guān)于非均質(zhì)材料電磁力學(xué)與功能設(shè)計方面的專著尚未見報道，故決定完成這部匯總作者課題組和國內(nèi)外本方面研究成果的專著。本書結(jié)合了非均質(zhì)材料電磁力學(xué)與功能設(shè)計理論等編著而成，總結(jié)了課題組最新研究成果，提煉出解決非均質(zhì)材料電磁力學(xué)與功能設(shè)計問題的理論、方法和程序仿真等?！　≡诒緯x材和編排上的首要考慮就是要精，易人門；其次是壓縮經(jīng)典內(nèi)容，使讀者盡可能多地接觸該學(xué)科的最新發(fā)展方向，為從事非均質(zhì)材料電磁力學(xué)研究架設(shè)橋梁。期望本書能增加讀者今后處理實(shí)際問題時成功的機(jī)會和動手能力。研究非均質(zhì)材料電磁力學(xué)問題的第一步是通過理論建立研究對象的模型。在現(xiàn)有的教科書和專著中，通常不涉及非均質(zhì)材料電磁力學(xué)，而將其歸于材料力學(xué)等前期課程或復(fù)合材料力學(xué)等專門課程。實(shí)驗(yàn)建模則散見于文獻(xiàn)中。隨著學(xué)科交叉，近年來實(shí)驗(yàn)建模發(fā)展，本書建立了新型非均質(zhì)材料模型的方法。　　本書的上篇（第l章～第4章）屬于非均質(zhì)材料電磁力學(xué)基本研究內(nèi)容，一是分門別類介紹分析方法，二是介紹電磁特有的現(xiàn)象。下篇主要介紹非均質(zhì)材料電磁力學(xué)在各個領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)、功能設(shè)計等，分別介紹了定性方法和常用的幾種定量分析方法，將目前功能設(shè)計方法推廣到電一磁一熱一力耦合系統(tǒng)，比較全面地介紹非均質(zhì)材料特有的現(xiàn)象?？梢哉f，上篇側(cè)重于介紹基本原理理論體系，下篇側(cè)重于介紹非均質(zhì)材料電磁力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法、功能設(shè)計和工業(yè)應(yīng)用體系?！　”緯亟榻B非均質(zhì)材料的電磁力學(xué)理論和功能設(shè)計方法，這是經(jīng)典內(nèi)容向現(xiàn)代研究內(nèi)容的轉(zhuǎn)折。為了與近代文獻(xiàn)相銜接并使讀者接受必要的科研實(shí)例，敘述做到言簡意賅，并且有一些重要數(shù)學(xué)證明和控制方程研究，這是本書的難點(diǎn)。以盡可能通俗的語言介紹了電磁現(xiàn)象以及如何控制，這是近年來非均質(zhì)材料電磁力學(xué)研究的重點(diǎn)。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)而全面地闡述了作者研究的非均質(zhì)材料電磁力學(xué)新理論及其在現(xiàn)代工程中的功能設(shè)計，是非均質(zhì)（梯度）材料電磁力學(xué)方面的一部學(xué)術(shù)專著。全書共8章，分上、下兩篇。上篇（前4章）完整論述非均質(zhì)（梯度）材料電磁力學(xué)的理論體系。包括學(xué)術(shù)思想、理論模型、求解方法；下篇（后4章）介紹非均質(zhì)（梯度）材料電磁力學(xué)仿真方法、功能設(shè)計、實(shí)驗(yàn)方法及工程應(yīng)用等，以非均質(zhì)材料電磁設(shè)計為主線，重點(diǎn)圍繞功能設(shè)計問題，闡述電磁理論在新材料及科學(xué)工程中的應(yīng)用，并選取有代表性的若干個具體工程應(yīng)用實(shí)例予以重點(diǎn)介紹。有關(guān)電磁力學(xué)和材料功能設(shè)計的研究是目前力學(xué)、宇航、控制及材料科學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一。本書以作者近年來在這方面的系列化研究成果為主要內(nèi)容，是具有較為完整理論體系和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的非均質(zhì)材料電磁力學(xué)方面的專著，可以為電磁力學(xué)問題的分析和評價提供基本理論和方法。    本書不僅理論方法先進(jìn)，而且工程應(yīng)用性強(qiáng)，適合于力學(xué)、宇航、車輛和機(jī)電等專業(yè)的科研、設(shè)計人員及工程技術(shù)人員閱讀參考，并可兼作高等院校相關(guān)專業(yè)相關(guān)方向的教師、博士研究生、碩士研究生教學(xué)用書，也可作為力學(xué)、宇航、車輛、機(jī)電和其他相關(guān)專業(yè)本科生的學(xué)習(xí)參考書和工具書。

作者簡介

李永，2001年在北京航空航天大學(xué)獲得博士學(xué)位，并獲校級優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎，清華大學(xué)博士后；現(xiàn)任北京理工大學(xué)一院碩士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)樘荻炔牧狭W(xué)、多場耦臺力學(xué)及車輛動力學(xué)與控制；發(fā)表的主要論文SCI.EI檢索20余篇，其中多篇論文發(fā)表在SCI收錄的國際期刊和《中國科學(xué)》上，出版學(xué)術(shù)著作多部，擔(dān)任國內(nèi)外多種學(xué)術(shù)期刊的審稿人；作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持了國家自然科學(xué)基金、汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。

書籍目錄

上篇 非均質(zhì)材料電磁力學(xué)  第1章 緒論    1.1 非均質(zhì)材料電磁力學(xué)簡介    1.2 非均質(zhì)梯度材料結(jié)構(gòu)分析方法    1.3 實(shí)驗(yàn)方法    1.4 非均質(zhì)材料器件電磁計算力學(xué)與數(shù)字化平臺設(shè)計    1.5 非均質(zhì)材料電磁結(jié)構(gòu)仿生力學(xué)    參考文獻(xiàn)  第2章 熱—磁—沙——電非均質(zhì)材料耦合動力學(xué)理論    2.1 非均質(zhì)材料多場耦合動力學(xué)簡介    2.2 多場耦合動力學(xué)的基本理論    2.3 沙電耦合力學(xué)機(jī)理    2.4 損傷分析技術(shù)    參考文獻(xiàn)  第3章 非均質(zhì)梯度材料字航承載設(shè)計和動態(tài)特性研究    3.1 宇航承載功能設(shè)計    3.2 非均質(zhì)梯度材料阻抗?jié)u變與電磁耗散機(jī)制    3.3 非均質(zhì)材料板結(jié)構(gòu)的計算方法    3.4 非均質(zhì)材料的漸變折射性質(zhì)    參考文獻(xiàn)  第4章 非均質(zhì)材料波／電耦合效應(yīng)研究    4.1 波／電耦合效應(yīng)簡介    4.2 非均質(zhì)材料波動實(shí)驗(yàn)平臺    參考文獻(xiàn)下篇 非均質(zhì)材料功能設(shè)計  第5章 非均質(zhì)材料微電子功能設(shè)計    5.1 非均質(zhì)模型的層次結(jié)構(gòu)    5.2 非均質(zhì)材料微電子結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計    5.3 非均質(zhì)結(jié)構(gòu)抗疲勞功能設(shè)計    5.4 仿真分析技術(shù)研究    參考文獻(xiàn)  第6章 非均質(zhì)材料車載電磁功能設(shè)計    6.1 基于模糊推理的電磁識別    6.2 模糊控制與模糊推理簡介    6.3 基于模糊推理的電磁驗(yàn)證    6.4 基于電磁識別的FGM器件綜合控制策略    6.5 FGM器件綜合控制策略仿真驗(yàn)證    參考文獻(xiàn)  第7章 非均質(zhì)材料器件電磁制動功能設(shè)計    7.1 電磁系統(tǒng)建模      7.1.1 高速開關(guān)控制閥模型      7.1.2 電磁泵模型      7.1.3 控制器模塊數(shù)學(xué)模型      7.1.4 蓄能器模塊力學(xué)模型      7.1.5 制動管路模型      7.1.6 制動輪缸模型    7.2 主動壓力控制仿真系統(tǒng)搭建    7.3 測試系統(tǒng)搭建    7.4 電磁系統(tǒng)動態(tài)特性分析    7.5 電磁模型仿真分析    7.6 在線模型電磁估算    參考文獻(xiàn)  第8章 非均質(zhì)材料電磁器件功能設(shè)計    8.1 非均質(zhì)材料電磁器件設(shè)計簡介    8.2 基于非均質(zhì)材料器件的電磁力設(shè)計    8.3 器件特性參數(shù)估算和電磁力觀察  參考文獻(xiàn)附錄A 電磁功能設(shè)計與分析領(lǐng)域仿真算法簡介附錄B 電磁仿真計算簡介  附錄B1 仿真模型控制方程簡介  附錄B2 靜電場計算步驟  附錄B3 微帶傳輸線電場計算步驟  附錄B4 靜磁場計算步驟附錄C 非均質(zhì)材料電磁物理力學(xué)概念簡介附錄D 移動電話計算分析實(shí)施技術(shù)路線  附錄D1 導(dǎo)入計算的技術(shù)路線  附錄D2 仿真分析的具體流程  附錄D3 翻蓋移動電話仿真網(wǎng)格

章節(jié)摘錄

　　非均質(zhì)材料（非均質(zhì)梯度材料）是1987年由日本科學(xué)家新野正之等首先提出的新概念和新思想，其兩側(cè)由不同性能的材料組成，以對付苛刻的使用環(huán)境；而中間部分的組成和結(jié)構(gòu)又是連續(xù)變化的，使其內(nèi)部界面消失，以減小和克服結(jié)合部位的性能不匹配因素。現(xiàn)今國際上通稱這類材料為Frunctionally Graded Materials（FGM）。由于具有均質(zhì)和復(fù)層材料所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，故FGM已引起了國內(nèi)外材料業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的極大興趣和密切關(guān)注。近年來，世界上許多國家相繼開展了對FGM的研究工作并取得了一定的進(jìn)展。在光學(xué)領(lǐng)域，非均質(zhì)梯度材料已經(jīng)用于非線性光電子材料，通過把具有電光學(xué)、磁光學(xué)效果的材料加入到光學(xué)材料中的辦法，可以使新的光學(xué)部件和光記憶材料的制造成為可能。動物的牙齒、骨頭、關(guān)節(jié)等都是無機(jī)材料和有機(jī)材料的完美結(jié)合，重量輕、韌性好、硬度高。用非均質(zhì)梯度材料制作的牙齒、關(guān)節(jié)等，可以較好地接近上述要求?，F(xiàn)在，利用高性能的分離膜和催化劑，將構(gòu)造比較簡單的化合物合成化學(xué)工業(yè)原料的研究已經(jīng)開始，研究中所使用膜、催化劑及反應(yīng)容器，都可以用非均質(zhì)梯度材料來制造。非均質(zhì)梯度材料也非常適合制造電子元件，通過調(diào)整材料的組成，使其梯度化，壓電系數(shù)和溫度系數(shù)等性能可以得到最恰當(dāng)?shù)姆峙?，漂移和噪聲問題也可解決，使性能得到提高。更重要的是它將性能各異的材料按照設(shè)計的意愿在結(jié)構(gòu)內(nèi)部非均勻、連續(xù)地合成新型材料，將新材料的研制帶人了材料設(shè)計的更高層次。由于高速飛行器要求材料具有高強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕、耐氧化，又要求有良好的熱傳導(dǎo)和易加工性，過去解決的辦法是在金屬表面鍍上陶瓷膜來滿足這種性能要求，但鍍膜時兩種材料結(jié)合處存在嚴(yán)重的界面效應(yīng)。而FGM是指沿著某一方向其物理、化學(xué)、生物等單一或復(fù)合性能發(fā)生連續(xù)或階梯變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某種特殊功能的先進(jìn)材料。FGM這種非均勻材料一般由分別能承受極高溫度的工程陶瓷和能承受機(jī)械載荷的金屬復(fù)合而成，構(gòu)成FGM組分的顯微結(jié)構(gòu)（陶瓷、金屬、無機(jī)或有機(jī)物，纖維和顯微氣孔等）不僅是連續(xù)分布，而且是可以控制的。從宏觀上看，各組分材料的體積含量在空間位置上是連續(xù)變化的，因此其復(fù)合材料的熱物性參數(shù)是空間位置的函數(shù)，與傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板相比，由于這類材料的力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)沒有突變，可緩解應(yīng)力集中并優(yōu)化熱應(yīng)力分布。劉書田等提出了基于均勻化理論的FGM優(yōu)化設(shè)計方法，其利用均勻化理論建立復(fù)合材料宏觀性能與微結(jié)構(gòu)表征量之間的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)確定微結(jié)構(gòu)表征量沿梯度方向的分布規(guī)律。結(jié)果表明：在.FGM設(shè)計與制備中，分層數(shù)量對材料功能（應(yīng)力緩和）有較大影響，但存在一個使得這種影響飽和的數(shù)值。因此，F(xiàn)GM可適當(dāng)分層，而不必選用很多層。

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