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出版者:科学出版社

作者:徐保根

出品人:

页数:203

译者:

出版时间:2008-6

价格:39.00元

装帧:

isbn号码:9787030219107

丛书系列:

图书标签:

• 控制理论
• 图论
• 网络科学
• 系统控制
• 优化
• 算法
• 数学模型
• 复杂网络
• 信息科学
• 应用数学

结构动力学中的非线性分析：基于先进控制方法的拓扑优化与状态估计 本书聚焦于复杂工程结构在极端载荷条件下的动力学响应，特别是那些因材料非线性、几何非线性以及外部激励的随机性而呈现高度复杂行为的系统。本书旨在提供一个整合了现代控制理论、先进数值方法和拓扑优化技术的综合框架，用以理解、预测并主动调控结构的稳定性和韧性。 --- 第一部分：复杂结构动力学建模与挑战 第一章：非线性动力学系统的基础表述与挑战 本章将从连续介质力学的角度出发，建立描述工程结构（如桥梁、高层建筑、航空器复合材料结构）运动的非线性偏微分方程组。我们将深入探讨几何非线性（大变形、应变张量的引入）和材料非线性（粘塑性、超弹性、疲劳损伤模型）对系统动力学特性的深刻影响。重点分析传统线性模态分析方法的局限性，并引入降阶模型（Reduced Order Models, ROMs）的构建策略，如基于模态叠加法和Proper Orthogonal Decomposition (POD) 的方法，以应对高维系统的计算瓶颈。 第二章：随机激励与不确定性量化 在实际工程环境中，载荷往往是随机的、时变的，且系统参数（如阻尼比、刚度矩阵中的微小偏差）存在不确定性。本章详细阐述随机过程理论在结构动力学中的应用，包括白噪声激励、脉冲载荷序列以及地震动模拟。我们将介绍高斯过程模型（Gaussian Process Models）用于描述系统参数的不确定性，并阐述如何利用随机有限元法（S-FEM）和蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）对结构的可靠性指标进行量化评估。 第三章：基于多尺度方法的损伤演化模拟 结构在长期服役中会经历疲劳、蠕变和微裂纹扩展等损伤过程。本章超越宏观力学描述，转向微观或介观尺度。我们将探讨连续损伤力学（Continuum Damage Mechanics, CDM）与内聚力模型（Cohesive Zone Models, CZM）在模拟界面脱粘和裂纹萌生与扩展中的应用。特别关注多尺度耦合策略，如何将材料尺度的随机损伤演化信息有效地传递到结构尺度的整体响应分析中。 --- 第二部分：先进控制理论在结构韧性中的应用 第四章：非线性系统状态观测与估计 精确估计系统内部状态（如构件损伤程度、传感器失效时的状态变量）是实施有效主动控制的前提。本章侧重于非线性状态观测器的设计。我们将详细分析扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）和无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）在处理结构非线性动力学方程中的表现和局限性。此外，针对大规模结构，本章将介绍基于观测子空间辨识（Observer-based Subspace Identification）的实时损伤状态评估方法。 第五章：鲁棒与自适应控制策略设计 面对模型不确定性和外部干扰，控制系统必须具备高度的鲁棒性。本章深入探讨基于 $H_{infty}$ 范数的控制器设计，以保证结构在预设性能指标下的稳定性。随后，介绍自适应控制方法，特别是基于Luenberger观测器的自整定机制，用于实时补偿由于损伤或温度变化引起的系统参数漂移。本章的重点在于将控制输入（如主动阻尼器、形状记忆合金驱动器）的物理约束集成到控制律的设计过程中。 第六章：最优控制与模型预测控制（MPC） 最优控制理论为在满足特定性能要求的同时最小化能耗或最大化减振效果提供了数学框架。本章将推导非线性结构系统的线性二次高斯（LQG）最优控制问题，并扩展到更具实际意义的$ ext{LQR}$控制器的应用。重点分析模型预测控制（MPC）在周期性或准周期性载荷（如风荷载、机器振动）下的优势，讨论如何利用有限时域内的系统预测来预先生成最优控制序列，实现对结构瞬时响应的平滑过渡控制。 --- 第三部分：优化设计与控制的集成 第七章：基于控制要求的拓扑优化 传统的拓扑优化（Topology Optimization, TO）主要关注静态刚度或固有频率的优化。本章将控制需求引入到拓扑优化框架中，形成了“控制驱动的拓扑优化”（Control-Aware Topology Optimization）。具体地，我们将优化准则设置为：在给定外部载荷下，最小化控制能耗的同时，确保结构系统的闭环稳定性。这要求将控制算法（如状态反馈增益）作为目标函数的一部分，通过伴随变量法实现梯度计算，从而优化材料的分布密度。 第八章：主动减振器与结构一体化设计 本章讨论如何优化主动或半主动减振装置的布局和尺寸。我们将分析不同类型执行器（如磁流变阻尼器、压电作动器）的非线性特性。通过参数化研究，结合遗传算法或粒子群优化（PSO），确定减振器在结构中的最佳安装位置，以最大化其对特定振动模式的抑制效果。重点讨论传感器网络的优化部署，确保反馈信息的有效性和冗余度。 第九章：机器学习在结构控制中的前沿应用 随着计算能力的提升，本章探索利用深度学习（Deep Learning）替代传统精确模型的潜力。我们将介绍基于数据驱动的系统辨识（Data-driven System Identification）方法，利用传感器数据直接构建非线性动力系统的近似映射。随后，讨论如何应用深度强化学习（Deep Reinforcement Learning, DRL）来训练结构控制策略，使其在面对未曾预见的复杂载荷场景时，能够自主发现比传统理论最优控制更优化的实时响应策略。这包括对奖励函数的设计，以平衡减振效果、能量消耗与控制信号的平滑性。 --- 本书的读者对象包括结构工程、机械工程、航空航天、土木工程领域的高级研究生、科研人员以及致力于提高基础设施韧性的工程实践者。

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这本书的索引和术语表部分，简直是为我这种有“检索强迫症”的读者量身定做的。我通常习惯于在阅读过程中，随时查阅某个概念的首次出现位置，这本书的索引做得异常详尽，不仅标注了页码，还细致地区分了“定义”、“定理”和“应用实例”中的引用，这种颗粒度让我对知识点的检索效率提升了不止一个档次。更让我惊喜的是，在书的末尾附带的那份“历史发展脉络图”，它用时间轴的方式梳理了相关领域几位关键人物的贡献及其理论之间的相互影响，这让我这个非专业出身的爱好者，一下子就明白了为什么A理论是B理论的铺垫，C方法又是D思想的修正。这种结构化的知识梳理，避免了读者在知识海洋中迷失方向，它不仅仅是一个工具书的附属品，更像是为你量身定做的学习导航图，让人对整个知识体系的宏观架构有了清晰的认识。

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我花了整整一个下午的时间来研读其中关于“随机过程在复杂系统中的收敛性分析”那几章，感觉作者的叙事逻辑简直是教科书级别的流畅。他没有急于抛出那些晦涩难懂的定理，而是像一位技艺精湛的匠人，先用简洁明了的语言勾勒出问题的全貌，然后层层剥笋般地引入必要的数学工具。最让我拍案叫绝的是，他处理那些经典的“死循环”证明时，总是能找到一条清晰的捷径，用一些看似不相关的初等方法，最终优雅地导向结论。这种“大道至简”的智慧，在充斥着复杂符号和冗长推导的专业书籍中实在难得。读完这一部分，我感觉脑海中原本纠结的那些线条突然被打通了，原本以为是高不可攀的理论壁垒，在他笔下似乎也变得可以触摸和理解了。这绝不是那种堆砌公式的“炫技之作”，而是真正倾注了深刻洞察力的智慧结晶。

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这本书的案例研究部分，是我认为其价值超越一般教材的决定性因素。它并非仅仅罗列了教科书式的、完美无瑕的理想化模型。相反，作者深入挖掘了几个真实世界中“不完美”的工程实例。例如，关于一个实际电力系统在遭受外部干扰后如何进行非线性补偿的分析，书中不仅展示了理论模型的构建，更详细地讨论了传感器噪声、执行器延迟等实际工程限制如何扭曲了理论预测。他坦诚地指出了在特定工况下，某个经典算法的局限性，并提出了几种针对性的工程妥协方案。这种对“真实世界混乱性”的直面，极大地增强了这本书的实用价值。它教会我的不仅是如何解决“标准问题”，更重要的是，如何批判性地审视模型假设，并在现实的约束条件下找到一个“足够好”的解决方案，这才是真正的工程智慧所在。

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这本书的装帧设计简直是工业艺术品的典范。封面采用了一种哑光的深蓝色调，触感温润而富有质感，中央用烫金字体镌刻着书名，那种低调的奢华感让人在书架上第一眼就被吸引。随手翻开，纸张的克重和纹理都恰到好处，油墨的印刷精度极高，即便是最细微的图表和公式，边缘也锐利得像是激光切割过一般，阅读体验极佳。装订工艺看得出是用心打磨的，可以完全平摊开来，即便是长时间阅读也不会感到手指被书脊硌得生疼。更值得一提的是，内页的留白处理得非常考究，既保证了文字的呼吸感，又不至于让页面显得空洞，这种对细节的执着，体现了出版方对知识载体的尊重。对于一个有收藏癖的读者来说，光是这本书摆在书桌上的样子，就已经是一种视觉上的享受了，它不像是一本工具书，更像是一件值得珍藏的艺术品，让人在每一次拿起它时，都能感受到那种沉甸甸的、被认真对待的诚意。

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我之前尝试过几本这个方向的国际经典译本，但总感觉语言上存在一种隔阂，很多微妙的语境和暗含的假设，在翻译过程中丢失了神韵。而这本书，我能明显感受到作者在写作时，那种对“清晰表达”的极致追求。比如，在讨论“系统稳定性判据”时，他用了一个非常生活化的比喻来描述反馈回路中能量的积累与耗散，这个比喻瞬间击碎了抽象概念的壁垒，让原本需要反复推敲才能领会的物理意义，一下子变得直观起来。这种将高深理论“接地气”的能力，是很多纯粹的学术著作所欠缺的。它没有因为读者的潜在专业背景而故作高深，反而像一位耐心十足的导师，用最恰当的语言将复杂的概念“雕刻”出来，让人在阅读中不断产生“原来如此”的顿悟感，而非简单的信息接收。

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