一、內(nèi)容簡(jiǎn)介

結(jié)構(gòu)完整性是自工業(yè)革命發(fā)展起來(lái)的一種主要基于斷裂力學(xué)的工程裝備抗疲勞設(shè)計(jì)思想。但與傳統(tǒng)鑄造、焊接、鍛造等成形材料不同，增材過(guò)程形成了難以除去的內(nèi)部缺陷，是制約增材結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高端裝備的瓶頸技術(shù)之一。同時(shí)，鑒于增材制造“數(shù)字建模、分層制造、逐層疊加”釋放出的巨大設(shè)計(jì)空間，一些負(fù)泊松比、零剪切模量等新型結(jié)構(gòu)制造成為可能，在航空航天、國(guó)防軍工、生物醫(yī)學(xué)、高速列車(chē)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。《增材制造先進(jìn)材料及結(jié)構(gòu)完整性》在系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，把“結(jié)構(gòu)完整性”概念引入增材制造材料及部件的力學(xué)性能設(shè)計(jì)與可靠性評(píng)價(jià)中，推進(jìn)增材制造在重大裝備研發(fā)中的廣度與深度。同時(shí)，一些新的技術(shù)或概念，如X射線原位成像、人工智能算法、智能材料結(jié)構(gòu)、圖像有限元建模等也在本書(shū)中進(jìn)行了闡述。

本書(shū)可為從事增材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、裝備研發(fā)、性能評(píng)價(jià)等領(lǐng)域?qū)W者和技術(shù)人員提供參考，也可作為力學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)、信息、機(jī)械、控制等學(xué)科的高校院所研究生和教師授課的參考書(shū)。

二、前言

增材制造被稱為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，在航空航天、生物醫(yī)療、國(guó)防軍工、軌道交通等領(lǐng)域顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用效率。然而，金屬增材制造在高端裝備關(guān)鍵承力部件中還鮮有公開(kāi)報(bào)道，亟待解決的共性技術(shù)科學(xué)問(wèn)題主要有微觀組織、殘余應(yīng)力、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷等4個(gè)方面。同時(shí)，基于上述4個(gè)方面的增材材料及部件的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)已成為國(guó)內(nèi)外前沿研究課題，也是金屬增材制造技術(shù)走向高端裝備必須通過(guò)的核心環(huán)節(jié)。其中，通體或廣域分布的內(nèi)部缺陷稱為增材制造發(fā)展的頑疾，而其他3個(gè)方面均可通過(guò)工藝優(yōu)化、后熱處理、機(jī)械加工等手段予以有效緩解。本書(shū)在簡(jiǎn)要敘述了增材制造技術(shù)的基本概念及內(nèi)涵后，分章節(jié)論述了典型增材制造的微觀組織、缺陷行為、表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力及其對(duì)拉伸性能和疲勞性能的影響，重點(diǎn)討論了基于高分辨X射線三維成像的缺陷統(tǒng)計(jì)表征方法及缺陷與疲勞強(qiáng)度和壽命的映射關(guān)系，對(duì)人工智能在增材工藝-組織-缺陷-性能的跨尺度關(guān)聯(lián)建模中的應(yīng)用也進(jìn)行了介紹。

與此同時(shí)，基于金屬增材制造技術(shù)的先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)研究引起了材料冶金、計(jì)算力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、先進(jìn)制造等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛重視。其中，在增材制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，探索外部激勵(lì)后的變形損傷行為，成為學(xué)科研究前沿。與此同時(shí)，作為一項(xiàng)誕生于2000年的新興交叉學(xué)科研究方向，超材料結(jié)構(gòu)曾兩次入選美國(guó)《科學(xué)》雜志“世界十大科技突破”，更被美國(guó)國(guó)防部列為21世紀(jì)六大顛覆性技術(shù)之一。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由桿件組元或薄面板組元沿著空間取向排布構(gòu)筑的二維或三維胞元結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生超常規(guī)的機(jī)械和力學(xué)性能，具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度、抗沖擊吸能、減振降噪、彈性波調(diào)控等多功能一體化的綜合性能優(yōu)勢(shì)。隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-制造-功能-應(yīng)用一體化得到快速發(fā)展。本書(shū)在第8章和第9章對(duì)增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì)及圖像仿真方法進(jìn)行介紹。

作者自2005年攻讀博士學(xué)位至今，堅(jiān)信金屬增材制造必將在長(zhǎng)壽命高可靠性重大工程裝備中得到運(yùn)用，見(jiàn)證了中國(guó)增材制造技術(shù)的發(fā)展壯大之路，有幸自2012年以來(lái)引入同步輻射X射線三維成像技術(shù)開(kāi)展增材缺陷與疲勞演化關(guān)系研究，在對(duì)高鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（車(chē)軸、構(gòu)架、車(chē)體等）進(jìn)行疲勞行為研究中提出了“時(shí)域階梯評(píng)估方法”，認(rèn)識(shí)到金屬增材制造材料及部件的抗疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)已是當(dāng)前亟待開(kāi)展的重大技術(shù)課題，進(jìn)而提出了增材制造結(jié)構(gòu)完整性概念。

本書(shū)共11章，由西南交通大學(xué)胡雅楠博士、吳圣川研究員、吳正凱博士、吳文旺副教授和錢(qián)偉建博士共同撰寫(xiě)，在結(jié)構(gòu)完整性框架內(nèi)，圍繞增材材料的力學(xué)性能和疲勞性能，以實(shí)驗(yàn)分析、理論建模和圖像仿真為手段展開(kāi)敘述。由于從事增材制造材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及壽命評(píng)估研究時(shí)間不長(zhǎng)，知識(shí)深度與認(rèn)識(shí)能力有限，行文中難免有疏漏甚至錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)大家批評(píng)指正。

三、目錄

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四、作者簡(jiǎn)介

胡雅楠，博士，西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師。主要從事增材制造結(jié)構(gòu)完整性、極端力學(xué)行為研究、材料疲勞損傷行為的先進(jìn)光源原位表征。在 Nature子刊、Int. J. Fatigue、Mater. Design、Mater. Sci. Eng. A等期刊發(fā)表論文20余篇，引用量700余次，3篇論文入選 ESI高被引論文，單篇最高引用次數(shù)160余次。合作出版專著2部。曾榮獲2022年度中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2022年度中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等。

吳圣川，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人，西南交通大學(xué)“揚(yáng)華學(xué)者”、軌道交通運(yùn)載系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事先進(jìn)材料結(jié)構(gòu)的高分辨原位試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)、疲勞損傷多維多尺度表征研究及應(yīng)用工作。以第一/通訊作者在Nature子刊、Acta Mater.、Int. J. Fatigue等頂刊發(fā)表論文100余篇，8篇論文入選 ESI高被引論文，Elsevier中國(guó)高被引學(xué)者和全球前2%影響力科學(xué)家。出版專著5部和教材1部，參編國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3部，授權(quán)專利15件和軟件10件。擔(dān)任疲勞頂刊Int. J. Fatiuge編委和斷裂頂刊Eng. Fract. Mech.客座主編及Tomo. Struct. Mater.創(chuàng)刊編委等。現(xiàn)任第八屆計(jì)算力學(xué)軟件專業(yè)組秘書(shū)長(zhǎng)、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)疲勞分會(huì)理事、中國(guó)腐蝕防護(hù)學(xué)會(huì)環(huán)境斷裂專委會(huì)委員等，在國(guó)際會(huì)議作特邀報(bào)告20次。主持/參加國(guó)家973項(xiàng)目及國(guó)基青年、面上、聯(lián)合、重點(diǎn)及軍科委和企業(yè)項(xiàng)目等30余項(xiàng)。曾榮獲四川省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（排名1/8）、中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排名2/15）、中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（排名2/25）等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。

吳文旺，上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院工程力學(xué)系副教授、博士生導(dǎo)師。本科、碩士和博士分別畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械超材料、增材制造輕質(zhì)多功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和人工智能技術(shù)在機(jī)械超材料力學(xué)設(shè)計(jì)及多功能一體化領(lǐng)域的應(yīng)用。在Prog. Mater. Sci., J. Mech. Phys. Solid等固體力學(xué)、材料科學(xué)頂級(jí)期刊以第一作者、通訊作者身份SCI論文70篇，SCI他引次數(shù)2300余次。主持國(guó)家自然科學(xué)基金 2 項(xiàng)（青年項(xiàng)目、面上項(xiàng)目）、軍委科技委國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)163重點(diǎn)項(xiàng)目（1 項(xiàng)）。

吳正凱和錢(qián)偉建為西南交通大學(xué)軌道交通運(yùn)載系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生，導(dǎo)師為吳圣川研究員。