增材制造结构设计

本书系统介绍了增材制造技术在结构设计中的革新应用，从创新设计与技术的融合开篇，逐步展开对增材制造技术、工艺流程及标准的细致阐述，为读者奠定坚实的理论基础。随后，聚焦于增材制造结构设计的基本原则与前沿策略，如拓扑优化、免组装、仿生设计和创成式设计等，这些策略不仅挑战了传统设计的边界，更为增材制造领域注入了无限创意与可能。书中通过丰富的实例分析，将抽象的理论知识与实际设计案例紧密结合，使读者能够直观感受到增材制造技术在提升设计效率、优化产品性能方面的巨大潜力。此外，本书还特别强调了优化设计理论的重要性，并详细介绍了拓扑优化设计软件的应用，为工程师们提供了从理论到实践的全方位指导。同时，对质量控制与无损检测技术的讲解，也为保障增材制造产品的质量与可靠性提供了有力支持。 本书可作为高等教育相关专业的教材，也可供增材制造领域工程技术人员参考。

江五贵，教授，博士，近期主要从事先进制造技术多尺度力学方面的研究工作。受聘江西省“井冈学者”特聘教授，上海大学兼职博士生导师，担任多个国际期刊编委。为国家自然科学基金、江西省科技厅和湖南省科技厅科技项目评估专家。获澳大利亚教育部奋进学者奖励（EndeavourResearchFellowship），多次获江西省优秀硕士论文指导教师称号。至今主持5项国家自然科学基金项目。在增材制造领域顶刊AdditiveManufacturing等期刊发表学术论文100余篇，其中SCI收录60余篇。

第1章　绪论　/ 001 1.1　创新设计概述　/ 002 1.1.1　创新设计发展　/ 002 1.1.2　创新设计思想　/ 003 1.1.3　创新设计理论　/ 004 1.1.4　创新设计方法　/ 004 1.2　增材制造技术概述　/ 005 1.2.1　增材制造技术发展　/ 005 1.2.2　增材制造技术理论　/ 006 1.2.3　增材制造技术方法　/ 008 1.2.4　增材制造技术影响　/ 009 1.3　增材制造创新结构设计及应用　/ 010 1.3.1　增材制造创新结构设计　/ 010 1.3.2　增材制造创新结构设计应用　/ 011 思考题　/ 021 第2章　增材制造技术　/ 022 2.1　增材制造分类　/ 023 2.1.1　材料挤出（MEX） 　/ 023 2.1.2　立体光固化（VPP） 　/ 026 2.1.3　材料喷射（MJT） 　/ 028 2.1.4　薄材叠层（LOM） 　/ 030 2.1.5　粉末床熔融（PBF） 　/ 032 2.1.6　定向能量沉积（DED） 　/ 034 2.1.7　黏结剂喷射（BJT） 　/ 036 2.2　增材制造的一般工艺流程　/ 037 2.2.1　3D 建模　/ 037 2.2.2　数据处理　/ 039 2.2.3　设备准备　/ 043 2.2.4　加工　/ 043 2.2.5　后处理　/ 044 思考题　/ 045 第3章　增材制造结构设计指导原则　/ 046 3.1　面向增材制造的设计导论　/ 047 3.2　增材制造技术的能力　/ 048 3.3　增材制造技术的约束因素　/ 053 3.4　增材制造设计的总体思考过程　/ 057 3.5　AM 零件设计的一般指导原则　/ 064 3.6　DfAM 的经济学解析　/ 068 3.6.1　机器成本分析　/ 069 3.6.2　材料成本　/ 070 3.6.3　后处理成本　/ 070 3.6.4　受设计影响的时间因素　/ 071 3.6.5　经济学案例研究： 金属增材制造液压歧管　/ 073 3.7　聚合物设计指南　/ 077 3.7.1　材料挤出（MEX） 工艺设计指南　/ 077 3.7.2　聚合物粉末床熔融（PBF-LB/P）的设计　/ 084 3.7.3　光固化（VPP） 的设计指南　/ 087 3.8　金属增材制造设计指南　/ 090 3.8.1　金属粉末床熔融技术设计概述　/ 090 3.8.2　激光粉末床熔合（PBF-LB/M） 的设计　/ 098 3.8.3　金属LPBF 晶格结构设计　/ 101 3.8.4　电子束粉末床熔合PBF-EB/M 设计指南　/ 107 思考题　/ 110 第4章　增材制造创新结构设计　/ 112 4.1　拓扑优化设计　/ 113 4.1.1　拓扑优化设计概念　/ 113 4.1.2　增材制造拓扑优化　/ 114 4.1.3　几种典型的拓扑优化方法　/ 119 4.1.4　考虑增材制造工艺约束的拓扑优化设计方法　/ 129 4.1.5　参数优化的关键应用与策略选择　/ 132 4.1.6　拓扑优化与创成式设计在增材制造中的应用（BC2AM） 　/ 133 4.1.7　案例研究： 高价值非定常航空航天部件的优化　/ 135 4.1.8　完整案例　/ 140 4.2　免组装机构设计　/ 146 4.2.1　免组装机构设计概念　/ 146 4.2.2　免组装机构设计方法　/ 149 4.2.3　案例分析： 激光熔覆喷嘴设计　/ 153 4.3　增材制造仿生结构设计　/ 157 4.3.1　仿生结构设计概念　/ 157 4.3.2　仿生结构设计流程　/ 159 4.3.3　案例分析　/ 162 4.4　功能梯度材料与增材制造　/ 167 4.4.1　功能梯度材料（FGM） 　/ 167 4.4.2　功能梯度材料的分类　/ 169 4.4.3　功能梯度材料的制造方法　/ 172 4.4.4　功能梯度材料增材制造　/ 173 4.5　创成式设计　/ 179 4.5.1　起源与发展　/ 179 4.5.2　GD 概念及方法流程　/ 182 4.5.3　案例： 定制轮毂中的创成式设计　/ 186 4.5.4　AI 驱动的创成式增材制造结构设计　/ 190 思考题　/ 191 第5章　优化设计理论基础　/ 194 5.1　优化设计的数学模型及建模基础　/ 195 5.1.1　优化设计的基本概念　/ 195 5.1.2　优化设计的数学模型　/ 196 5.1.3　优化设计问题的建模基础　/ 199 5.1.4　优化设计问题的基本解法　/ 201 5.2　优化设计的数学基础　/ 203 5.3　约束优化极值条件　/ 206 5.3.1　约束优化问题的极值条件　/ 206 5.3.2　库恩-塔克定律（K-T 条件）/ 207 5.3.3　寻优过程的数值解法与逐步逼近策略　/ 210 5.3.4　一维搜索法　/ 211 5.4　无约束问题的优化方法　/ 213 5.4.1　梯度法——最速下降法　/ 214 5.4.2　牛顿法　/ 215 5.4.3　改进牛顿法　/ 217 5.5　现代优化算法与增材制造　/ 217 5.5.1　常见现代算法简介　/ 217 5.5.2　现代优化算法在增材制造领域的应用　/ 220 5.5.3　深度学习助力增材制造梯度力学超材料逆向设计　/ 221 思考题　/ 225 第6章　增材制造优化软件介绍　/ 226 6.1　增材制造优化设计软件　/ 227 6.2　Inspire 软件介绍　/ 230 6.2.1　拓扑优化设计的一般工作流程　/ 230 6.2.2　Inspire 软件设计流程　/ 231 6.2.3　Inspire 功能介绍　/ 232 6.2.4　菜单栏和工具栏　/ 232 6.3　Inspire 实例： 汽车刹车踏板的拓扑结构优化　/ 233 思考题　/ 250 第7章　增材制造结构的无损检测评价　/ 253 7.1　无损检测技术概述　/ 254 7.2　增材制造与无损检测　/ 258 7.2.1　增材制造零件的典型缺陷　/ 258 7.2.2　增材制造带来的无损检测挑战　/ 260 7.2.3　面向增材制造的无损检测方法　/ 261 7.2.4　无损检测方法的适用性与局限性　/ 264 7.3　增材制造的合格性检定　/ 264 7.3.1　增材制造的无损检测标准　/ 264 7.3.2　增材制造的过程后检测　/ 266 7.3.3　增材制造的过程中监测　/ 269 思考题　/ 272 参考文献　/ 273