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出版者:哈尔滨工业大学出版社

作者:杨涤

出品人:

页数:477

译者:

出版时间:2006-5

价格:39.80元

装帧:

isbn号码:9787560322292

丛书系列:

图书标签:

• 仿真
• matlab实时控制的实践
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跨越现实与数字的边界：现代工程计算与优化设计 图书名称： 跨越现实与数字的边界：现代工程计算与优化设计 图书简介 本书深入探讨了现代工程领域中，从基础理论到尖端应用的计算方法与优化设计技术。在当前工程实践对效率、精度和创新性要求日益严苛的背景下，我们迫切需要一套系统、深入且具有前瞻性的指导，以驾驭复杂的物理现象和庞大的设计空间。本书正是为满足这一需求而编写，旨在为工程师、研究人员以及高年级学生提供一套坚实的理论框架和实用的技术工具箱。 全书结构严谨，内容覆盖了工程仿真计算的核心范式、高性能数值算法的实现，以及面向多目标、约束条件的优化设计方法论。我们避免了对特定载具或单一学科的过度聚焦，而是着眼于那些具有普遍适用性的数学模型、离散化技术和求解策略。 第一部分：工程计算的数学基础与建模范式 本部分首先奠定了整个计算系统的理论基石。我们详细阐述了连续系统向离散系统转化的核心数学工具——偏微分方程（PDEs）的推导、边界条件的合理设定，以及在工程背景下对物理现象（如流体动力学、固体力学、传热学）的精确刻画。 1.1 物理系统的数学描述与控制方程： 探讨了如何根据物理定律（如守恒律）构建精确的数学模型。重点分析了纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes）、线弹性方程、瞬态热传导方程等在不同尺度和复杂几何条件下的适用性与简化途径。 1.2 数值方法的基石： 详细对比和分析了有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）这三大主流离散化技术的内在机理、网格生成策略及其在处理复杂边界和非结构化区域时的优劣。我们着重于FVM在守恒性保证方面的优势，以及FEM在处理复杂材料本构关系和非线性问题时的灵活性。 1.3 网格生成与质量控制： 强调了网格质量对计算结果收敛性和精度的决定性影响。内容涵盖了从二维到三维结构化和非结构化网格的生成技术，包括边界层网格的布设原则，以及网格质量指标的量化评估方法。 第二部分：高性能求解器与算法实现 理论模型构建完毕后，计算的效率和稳定性成为关键。本部分聚焦于求解离散代数方程组的高效算法和现代计算资源的应用。 2.1 线性系统求解： 深入剖析了直接法（如LU分解）和迭代法（如雅可比法、高斯-赛德尔法）的局限性。重点讲解了Krylov子空间方法，如GMRES、CGS和BiCGSTAB，以及在求解大规模稀疏矩阵系统时，预处理技术（如代数多重网格AMG、不完全LU分解ILU）对加速收敛速度的关键作用。 2.2 非线性问题与稳态/瞬态求解策略： 阐述了牛顿法及其修正形式在线性化迭代中的应用。对于涉及大变形、大位移或复杂反应动力学的非线性问题，我们探讨了时间步进策略，包括显式、隐式和平衡式方法的选择原则，以及如何通过残差控制和收敛性监测保证求解过程的健壮性。 2.3 计算资源的优化与并行化： 介绍了面向多核CPU和GPU架构的并行计算策略。讨论了领域分解技术（如域内并行）在加速大规模三维问题求解中的应用，以及如何利用OpenMP或MPI等工具实现高效的内存管理和数据交换，以充分挖掘现代计算机的并行计算潜力。 第三部分：工程优化设计方法论 现代工程的终极目标是找到满足所有约束条件下的最佳设计方案。本部分转向以目标驱动的优化设计领域。 3.1 优化问题的数学表述与敏感性分析： 详细定义了目标函数、设计变量和工程约束的数学形式。重点讲解了如何通过伴随方法（Adjoint Method）高效地计算设计变量对目标函数和约束函数的导数（梯度信息），这对于梯度类优化算法至关重要。 3.2 梯度类优化算法： 深入分析了最速下降法、共轭梯度法（CG）和BFGS、L-BFGS等拟牛顿法在工程优化中的应用。讨论了步长选择策略（如线搜索技术）对算法收敛速度和稳定性的影响。 3.3 全局优化与启发式算法： 鉴于许多工程优化问题存在非凸性，全局最优解难以寻获，本书引入了全局优化技术。详细介绍了模拟退火（SA）、遗传算法（GA）和粒子群优化（PSO）等启发式搜索方法，并探讨了它们与局部优化方法的有效结合策略，以在保证计算可行性的前提下，提高找到全局最优解的概率。 3.4 响应面法与代理模型： 针对高保真仿真模型计算成本极高的情况，本书介绍了利用代理模型（Surrogate Models）加速优化迭代的策略。详细讲解了如何基于Kriging模型、径向基函数（RBF）或神经网络构建高精度响应面，从而将优化过程从昂贵的“仿真驱动”转变为高效的“代理模型驱动”。 结语 本书的编写立足于工程应用的前沿需求，强调计算理论与工程实践的紧密结合。通过对这些核心计算技术和优化工具的系统掌握，读者将能够独立构建、求解和优化复杂的工程系统模型，从而在设计过程中实现性能的最大化、成本的最小化，并显著缩短研发周期。本书旨在培养读者“以计算思维指导设计”的能力，是面向下一代先进工程技术人员的必备参考书。

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这本书真的让我大开眼界！作为一名对航空航天领域充满好奇的学生，我一直渴望能更深入地了解飞行器是如何从概念走向现实的。这本书的内容简直就是一座宝藏。它不仅仅停留在理论的讲解，而是非常深入地剖析了飞行器设计和仿真的各个环节。从基础的气动力学原理，到复杂的结构力学分析，再到关键的控制系统设计，这本书都给出了详尽的阐述。更让我惊喜的是，它还引入了CAD（计算机辅助设计）的应用，这让我意识到现代飞行器设计已经离不开强大的软件支持。书中穿插的大量图表、公式和实例，都帮助我更直观地理解那些抽象的概念。比如，在讲解机翼气动性能时，作者不仅给出了升力、阻力等计算公式，还展示了通过CFD（计算流体动力学）软件模拟出的气流分布图，这让我仿佛亲眼看到了空气是如何在机翼上流动的，非常震撼。此外，关于飞行器整体系统的仿真，书中详细介绍了如何将各个子系统（如动力、导航、通信等）整合起来进行联合仿真，从而预测飞行器的整体性能和潜在问题。这一点对于理解现代复杂飞行器的设计流程至关重要。总的来说，这本书为我构建了一个关于飞行器系统设计与仿真的完整知识框架，极大地激发了我对这个领域的研究兴趣。

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这本书无疑是一本为有志于投身航空航天领域的读者量身定制的佳作。它在飞行器系统仿真这块的内容，可以说是面面俱到，极具深度。从最基础的数学模型建立，到复杂的数值计算方法，再到最终的仿真结果分析，书中都进行了详尽的阐述。我特别欣赏作者在讲解复杂系统时，能够循序渐进，将抽象的理论概念通过清晰的图示和生动的语言一一展现出来。比如，在对飞行器姿态控制系统进行仿真分析时，书中详细介绍了PID控制器的设计原理，并结合仿真实例，展示了如何调整控制器参数以达到最佳的控制效果。这一点对于理解飞行器平稳飞行背后的奥秘至关重要。同时，书中对CAD技术在整个设计流程中的作用也给予了充分的肯定，强调了它如何作为连接设计、仿真和制造的桥梁，实现高效的协同工作。书中关于仿真是如何辅助CAD设计的迭代和优化的内容，也让我受益匪浅。这本书不仅仅是一本技术书籍，更是一本能够激发读者创新思维和实践能力的宝藏。

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拿到这本书，我原本以为会是一本枯燥的技术手册，但读完之后，我被书中严谨的逻辑和丰富的案例深深吸引。作者以一种非常系统的方式，将飞行器系统的复杂性层层剥离，让我们能够逐步理解其精妙之处。在对飞行器气动布局进行仿真和优化的章节，我学到了很多宝贵的方法论。不仅仅是理论公式的推导，更重要的是如何将这些理论转化为实际的设计参数，并通过仿真手段来验证和迭代。比如，书中通过大量的对比分析，展示了不同翼型、不同翼展、不同控制面设计对飞行器性能的影响，并且提供了具体的仿真流程和数据分析方法，这对于想在实际项目中进行设计优化的工程师来说，无疑是一本极其有价值的参考书。此外，书中对动力系统仿真的部分，也介绍了很多先进的概念，例如发动机性能模型、推进效率分析等，这些都是确保飞行器能够高效、可靠运行的关键。对于CAD在设计流程中的整合应用，书中也给予了足够的重视，强调了如何利用CAD模型进行快速原型设计、装配仿真以及生成制造信息。总而言之，这本书是一份非常全面的飞行器系统工程指南，它不仅传授了知识，更启发了思维。

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这本书读起来就像是与一位经验丰富的工程师在进行一次深入的交流，充满了实用性和前瞻性。作者在书中对飞行器系统仿真的阐述，已经超越了单纯的理论知识，而是聚焦于如何在实际工程中应用这些技术。例如，在谈到结构耐久性仿真时，书中不仅仅列举了有限元分析（FEA）的基本原理，还深入探讨了如何根据不同的载荷条件和材料特性，建立精确的仿真模型，并对仿真结果进行解读和优化。这对于理解飞行器在极端环境下的表现至关重要。另外，书中对飞行控制系统仿真部分的讲解也尤为精彩，作者详细介绍了如何利用现代仿真软件，如MATLAB/Simulink，来设计和验证飞控算法，并模拟飞行器在各种动态条件下的响应，这对于确保飞行安全和提升飞行性能有着直接的指导意义。我尤其欣赏书中关于“虚拟样机”的概念，它强调了在实际制造之前，通过仿真技术对飞行器进行全面的测试和验证，这极大地缩短了研发周期，降低了试错成本。书中对CAD在整个设计流程中的作用也进行了深入的剖析，不仅限于三维建模，还涵盖了与仿真软件的协同工作，以及如何利用CAD数据进行可视化展示和成果交流。这本书的深度和广度都令人印象深刻，为我揭示了飞行器工程背后的科学与艺术。

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这本书的内容非常详实，对于想要深入理解飞行器设计和仿真原理的读者来说，绝对是一次超值的体验。我特别关注书中关于飞行器可靠性分析和故障诊断的部分，这在实际的航空航天工程中扮演着至关重要的角色。作者详细介绍了如何利用仿真技术，模拟飞行器在各种故障工况下的行为，并评估其对整体任务的影响。这包括对传感器失效、执行器故障、软件错误等进行建模和分析，从而提前制定应对策略。此外，书中对飞行器结构健康监测（SHM）技术的探讨，也让我耳目一新。它揭示了如何通过传感器网络和仿真模型，实时监测飞行器的结构状态，并预测潜在的损伤，这对于延长飞行器服役寿命和保障飞行安全具有革命性的意义。书中对CAD在设计验证过程中的应用也进行了详细的说明，比如如何利用CAD模型进行干涉检查、运动仿真，以及为后期制造提供精确的数字模型。这本书不仅仅是理论的堆砌，更是工程实践的智慧结晶，为我们提供了一个完整的从设计到验证的闭环思考模式。

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