Microstructure-Sensitive Design for Performance Optimization

دسته بندی: مکانیک: مکانیک اجسام تغییر شکل پذیر
ویرایش:  
نویسندگان: Brent L. Adams,  Surya R. Kalidindi,  David T. Fullwood.  
سری:  
 
ناشر:  
سال نشر:  
تعداد صفحات: 409 
زبان: English 
فرمت فایل : PDF (درصورت درخواست کاربر به PDF، EPUB یا AZW3 تبدیل می شود) 
حجم فایل: 17 مگابایت 

قیمت کتاب (تومان) : 46,000

410 p.
ISBN: 978-0-12-396989-7 چالش بزرگ برجسته در مهندسی مواد برای قرن بیست و یکم، تأثیرگذاری است معکوس کردن پارادایم که توسط آن مواد جدید توسعه می‌یابند، به‌ویژه برای برنامه‌های کاربردی طراحی بسیار محدود (HCD). روش‌های سنتی برای توسعه مواد جدید عمدتاً توسط نوآوری در پردازش هدایت می‌شوند. نتیجه می شود که تنها تعداد محدودی از ریزساختارهای به راحتی در دسترس در نظر گرفته می شوند، با توجه به تعداد کمی از ویژگی ها یا اهداف عملکرد. برای کاربردهای HCD، طراح با الزامات پیچیده فزاینده‌ای با اهداف/محدودیت‌های ویژگی متعدد و ناهمسانگردی مواد بر عملکرد سیستم مواجه است. بدیهی است که تجربه گرایی زمان و منابع مصرفی که بر توسعه مواد در قرن گذشته مسلط بوده است، باید جای خود را به وابستگی بیشتر به مدل سازی و شبیه سازی بدهد. 2 ما باید پارادایم فعلی را در توسعه مواد جدید از زمان حال معکوس کنیم (قیاسی) ) رویکرد علت و معلولی به یک رویکرد هدف - معنی بسیار قدرتمندتر و پاسخگو (استقرایی) (اولسون، 1997). این تغییر می تواند به طور قابل ملاحظه ای زمان و هزینه توسعه سیستم را برای مشکلات HCD حساس به مواد کاهش دهد. در طول دو دهه گذشته یک ناسازگاری اساسی بین علم و مهندسی مواد و چرخه طراحی محصول مهندسی شده وجود داشته است. روش فعلی برای معرفی مواد جدید به اجزای مهندسی شده تا 10 سال زمان توسعه نیاز دارد. این با روش‌های بهینه‌سازی طراحی مقایسه می‌شود که در حال حاضر قادر به معرفی تحولات طراحی پیچیده (به استثنای ملاحظات مواد) در چند روز یا چند هفته هستند. یکی از پیامدهای این ناسازگاری، ضعف اساسی در پیوندی است که علم و مهندسی مواد را به شرکت طراحی مرتبط می‌کند، جایی که هدف این است که ریزساختار یک ماده برای برآورده کردن ویژگی‌های دقیق و الزامات عملکرد اجزا و سیستم‌های پیچیده طراحی شود. پرداختن به این شکاف انگیزه اصلی این کتاب است.
تا بهترین دانش نویسندگان، این کتاب اولین چارچوب دقیق ریاضی را برای پرداختن به مشکلات معکوس طراحی مواد و طراحی فرآیند ارائه می‌کند، در حالی که از مجموعه‌ای جامع از معیارهای سلسله مراتبی آمار ریزساختار و تئوری های ترکیبی که بر اساس همان توصیف ریزساختار است. چارچوب ارائه شده در این کتاب از نمایش های طیفی بسیار کارآمد برای رسیدن به پیوندهای معکوس بین ساختار مواد، خواص آن و مسیرهای پردازش استفاده شده برای تغییر ساختار مواد استفاده می کند. چندین گزارش پرمخاطب اخیر (مهندسی مواد محاسباتی یکپارچه (ICME)، انتشارات آکادمی ملی، 2008؛ طرح ژنوم مواد برای رقابت جهانی، شورای ملی علم و فناوری، 2011؛ ​​برنامه استراتژیک ملی برای تولید پیشرفته، شورای ملی علم و فناوری ، 2012) همگی خواستار ایجاد یک زیرساخت نوآوری مواد جدید برای تسهیل طراحی، ساخت و استقرار مواد جدید با کارایی بالا با سرعتی چشمگیر در فناوری های پیشرفته در حال ظهور هستند. ما بر این باوریم که چارچوب ارائه شده در این کتاب می تواند به عنوان عامل اصلی برای این ابتکارات استراتژیک عمل کند.
1 مشخص است که فضای ریزساختارهای بالقوه بسیار بزرگتر از مجموعه ای است که معمولاً مشخص می شود. این موضع به شدت در گزارش یافته‌های یک کارگاه آموزشی تحت حمایت بنیاد ملی علوم (NSF) با عنوان دستورالعمل‌های جدید در علم و مهندسی طراحی مواد، ویرایش شده توسط مک داول و استوری (1998) بیان شده است. این کتاب در درجه اول به عنوان مرجعی برای متخصصان درگیر در زمینه نوظهور طراحی مواد در نظر گرفته شده است. همچنین می تواند به عنوان یک کتاب درسی برای دنباله ای از دو درس ارائه شده برای یک کلاس سطح بالا در مقطع کارشناسی یا یک کلاس کارشناسی ارشد استفاده شود. فصل‌های 1 تا 3 به‌عنوان مطالب پس‌زمینه استفاده می‌شوند و در صورتی که دانش‌آموزان با این مطالب آشنایی داشته باشند، می‌توان آنها را نادیده گرفت (یا به عنوان خودخوانی اختصاص داد). فصل‌های 4 تا 11 مفاهیم اساسی نظریه‌های مرتبه اول را معرفی می‌کنند و کاربرد آن‌ها را در راه‌حل‌های معکوس مرتبه اول برای مسائل و مواد طراحی فرآیند نشان می‌دهند. این فصل ها می توانند تمرکز اولین دوره در MSDPO (طراحی حساس به ریزساختار برای بهینه سازی عملکرد) باشند. در دوره بعدی بعدی، تمرکز می تواند بر روی مفاهیم دشوارتر مرتبط با نظریه های مرتبه دوم ارائه شده در فصل های 12 تا
15 باشد. فصل 16 مطالب مفیدی را در زمینه تکنیک‌های میکروسکوپ (با تمرکز قوی بر پراش پراکندگی برگشتی الکترون) ارائه می‌کند که می‌تواند در هر یک از دوره‌ها مورد استفاده قرار گیرد تا دانش‌آموز مقدمه‌ای کامل با حداقل یک تکنیک مشخص‌سازی که مکمل رویکردهای محاسباتی
موجود در بقیه متن تجربیات گذشته ما نشان می‌دهد که این دوره‌ها
به‌شدت قابل پذیرش پروژه‌های تیمی توسط گروه‌های کوچکی از دانش‌آموزان به‌عنوان بخشی جدایی‌ناپذیر از دوره هستند.

410 p.
ISBN: 978-0-12-396989-7 The prominent grand challenge in materials engineering for the twenty-first century is to effect a reversal of the paradigm by which new materials are developed, especially for highly constrained design (HCD) applications. Traditional methodologies for new materials development are driven mainly by innovations in processing; it follows that only a limited number of readily accessible microstructures are considered,1 with attention focused on a small number of properties or performance objectives. For HCD applications, the designer faces increasingly complex requirements with multiple property objectives/constraints and material anisotropy affecting system performance. It is evident that the time- and resource-consumptive empiricism that has dominated materials development during the past century must give way to a greater dependence on modeling and simulation.2 We need to invert the current paradigm in new materials development from the present (deductive) cause-and-effect approach to a much more powerful and responsive (inductive) goal–means approach (Olson, 1997). This shift could substantially reduce system development time and cost for materialssensitive HCD problems. There has existed a fundamental incompatibility during the past two decades between materials science and engineering and the engineered product design cycle. Current methodology for introducing new materials into engineered components requires up to 10 years of development time. This compares with design optimization methodologies that are presently capable of introducing sophisticated design evolvements (excluding materials considerations) in a matter of days or weeks. One consequence of this incompatibility is a fundamental weakness in the nexus that links materials science and engineering to the design enterprise, where the goal is to tailor a material’s microstructure to meet the stringent properties and performance requirements of complex components and systems. Addressing this gap is the primary motivation for this book.
To the best of the authors’ knowledge, this book presents the first mathematically rigorous framework for addressing the inverse problems of materials design and process design, while using a comprehensive set of hierarchical measures of the microstructure statistics and composite theories that are based on the same description of the microstructure. The framework presented in the book utilizes highly efficient spectral representations to arrive at invertible linkages between material structure, its properties, and the processing paths used to alter the material structure. Several recent high-profile reports (Integrated Computational Materials Engineering (ICME), The National Academies Press, 2008; Materials Genome Initiative for Global Competitiveness, National Science and Technology Council, 2011; A National Strategic Plan for Advanced Manufacturing, National Science and Technology Council, 2012) have all called for the creation of a new materials innovation infrastructure to facilitate the design, manufacture, and deployment of new highperformance materials at a dramatically accelerated pace in emerging advanced technologies. We believe that the framework presented in this book can serve as the core enabler for these strategic initiatives.
1It is known that the space of potential microstructures is vastly larger than the set that is typically characterized. This position has been strongly articulated in the report of findings of a National Science Foundation (NSF)-sponsored workshop entitled New Directions in Materials Design Science and Engineering, edited by McDowell and Story (1998). This book is primarily intended as a reference for specialists engaged in the emerging field of materials design. It can also be used as a textbook for a sequence of two courses offered for a high-level undergraduate class or a graduate class. Chapters 1 through 3 serve as background material and can be skipped (or assigned as self-reading) if students have familiarity with this material. Chapters 4 through 11 introduce the basic concepts of the first-order theories and illustrate their usage in first-order inverse solutions to materials and process design problems. These chapters could be the focus of a first course in MSDPO (microstructure-sensitive design for performance optimization). In a second follow-up course, the focus can be on the more difficult concepts associated with second-order theories presented in Chapters 12 through
15. Chapter 16 provides useful background material on microscopy techniques (with a strong focus on electron backscatter diffraction) that can be used in either course to give the student a solid introduction to at least one characterization technique that complements the computational
approaches found in the rest of the text. Our past experience indicates that these courses are
highly amenable to the incorporation of team projects by small groups of students as an integral part of the course.