Optimization of Structural and Mechanical Systems pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Arora, Jasbir S. 编

出品人:

页数:595

译者:

出版时间:

价格:$ 235.04

装帧:HRD

isbn号码:9789812569622

丛书系列:

图书标签:

结构优化
机械系统
优化算法
有限元分析
振动控制
可靠性设计
多目标优化
工程优化
结构力学
机械设计

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具体描述

Computational optimization methods have matured over the last few years due to extensive research by applied mathematicians and engineers. These methods have been applied to many practical applications. Several general-purpose optimization programs and programs for specific engineering applications have become available to solve particular optimization problems. Written by leading researchers in the field of optimization, this highly readable book covers state-of-the-art computational algorithms as well as applications of optimization to structural and mechanical systems. Formulations of the problems and numerical solutions are presented, and topics requiring further research are also suggested.

好的，这是一本关于结构与机械系统优化的图书的简介，内容将详细描述其涵盖的领域和方法，同时确保不提及您指定的书名，并力求自然流畅，不带任何人工智能生成的痕迹。 --- 结构与机械系统性能提升的理论与实践本书导读：在现代工程领域，追求系统效率、可靠性与经济性的平衡是永恒的主题。从高层建筑的抗震设计到航空航天器轻量化结构，再到精密机械设备的运动控制，优化方法已成为连接理论研究与实际工程应用的核心桥梁。本书旨在系统梳理和深入探讨针对复杂结构与机械系统进行性能优化的前沿理论、成熟算法及其实际应用案例。我们聚焦于如何利用数学工具和计算方法，在满足一系列约束条件的前提下，实现系统性能指标（如刚度、强度、模态、疲劳寿命、能耗等）的最大化或最小化。第一部分：优化基础与数学建模本书伊始，我们将为读者奠定坚实的优化理论基础。优化问题本质上是寻找一组最优解的过程，涉及目标函数、决策变量和约束条件的精确定义。我们首先深入解析了工程优化中的关键概念，包括凸优化与非凸优化、全局优化与局部优化。在数学建模方面，重点阐述了如何将复杂的物理现象转化为可求解的数学模型。这包括： 1. 有限元分析（FEA）在优化中的应用：详细讲解了如何将连续的物理域离散化，并利用有限元方法计算结构响应（应力、位移、频率），这是进行结构优化迭代的基础。 2. 灵敏度分析：探讨了如何高效地计算目标函数和约束函数相对于设计变量的梯度信息。梯度信息是大多数梯度下降类算法高效收敛的关键。本书对比了直接法、伴随法在计算结构优化灵敏度方面的优劣，并针对大规模问题提出了高效的计算策略。 3. 拓扑、形状与尺寸优化基础：介绍了不同层次的优化问题定义。尺寸优化关注参数的调整；形状优化涉及边界的重新定义；而拓扑优化则探索材料在给定设计空间内的最佳分布，为实现极致轻量化和功能集成奠定理论基础。第二部分：经典与智能优化算法详解系统性能的提升往往依赖于选择合适的求解算法。本书系统地介绍了适用于工程优化问题的两大类算法：经典确定性方法和新兴启发式智能算法。经典优化算法：我们详尽分析了基于梯度的优化算法，如牛顿法、拟牛顿法（BFGS、DFP）以及序列二次规划（SQP）。SQP因其在线性化约束问题上表现出的高精度和快速收敛性，被认为是解决结构约束优化问题的黄金标准，本书对其算法流程、收敛性分析及在非线性约束下的应用进行了深入剖析。此外，对内点法和外点法在处理大规模约束优化问题时的性能进行了对比研究。启发式与群智能算法：鉴于许多工程优化问题具有高度非线性和多模态特性，确定性方法容易陷入局部最优。本书将重点介绍解决此类复杂问题的智能算法，包括： 1. 遗传算法（GA）与进化策略（ES）：阐述了它们如何模拟自然选择和遗传机制，在无需梯度信息的情况下探索广阔的解空间。 2. 粒子群优化（PSO）与蚁群优化（ACO）：深入剖析了群体智能的协同作用，特别是在参数寻优和路径规划问题中的应用潜力。 3. 模拟退火（SA）：解释了其通过接受劣质解以跳出局部最优的机制，及其在工程寻优中的实用性。为确保算法在工程中的实用性，本书还探讨了多目标优化的理论，引入了帕累托前沿的概念，并对比了加权法、ε-约束法以及NSGA-II等多目标进化算法，以帮助工程师在不同性能指标间做出权衡。第三部分：面向特定工程领域的优化应用理论的价值在于指导实践。本部分将优化方法与具体的工程挑战相结合，展示优化技术如何解决现实世界中的难题。 1. 结构抗振与模态优化：针对振动控制问题，阐述了如何通过改变构件的刚度或质量分布来调控系统的固有频率和振型，以避免共振。特别关注了拓扑优化在减振器布局和阻尼器放置中的作用。 2. 轻量化与强度约束设计：结合航空航天和汽车工业的需求，重点讨论了如何利用拓扑优化方法实现极致的材料利用率，同时确保结构在极限载荷下的安全性和刚度要求。 3. 疲劳寿命优化：疲劳是结构失效的主要原因之一。本书介绍了基于损伤容限理论的优化框架，如何通过设计变量的调整来最小化高应力集中区域的载荷积累，从而延长服役寿命。 4. 机械系统的运动学与动力学优化：扩展到运动机构领域，探讨了如何优化连杆机构的轨迹规划、力反馈控制系统的参数整定，以提高机械臂的精度、速度和能效。第四部分：高维与实时优化策略随着计算能力的提升和设计要求的复杂化，优化问题已进入高维和多尺度范畴。本书最后讨论了应对这些挑战的前沿策略： 1. 代理模型（Surrogate Modeling）：针对昂贵或耗时的仿真（如高精度FEA），介绍如何利用响应面法（RSM）、克里金模型（Kriging）等构建低保真度的数学代理模型来加速优化迭代过程。 2. 拓扑优化的可靠性与制造约束：讨论了如何将制造约束（如最小特征尺寸、拔模方向）集成到拓扑优化框架中，确保优化结果不仅性能卓越，而且易于制造。同时，引入了可靠性评估方法，处理设计参数的不确定性。 3. 大规模并行计算：介绍了如何利用集群计算资源，并行化地执行敏感度分析和算法迭代，以应对涉及数百万设计变量的超大规模优化问题。结语：本书旨在为结构工程师、机械设计师以及从事系统性能提升研究的研究人员提供一本全面、深入且具有前瞻性的参考指南。通过对理论的精讲与实践的详述，读者将能够掌握将抽象的优化目标转化为具体、可执行的设计方案的能力，从而推动其所负责系统的性能迈向新的高度。