Structural Optimization

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出版者:Taylor & Francis
作者:Franklin Cheng
出品人:
页数:728
译者:
出版时间:2008-09-30
价格:USD 160.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780415423700
丛书系列:
图书标签:
  • 结构优化
  • 优化算法
  • 有限元分析
  • 结构力学
  • 数值方法
  • 工程设计
  • 航空航天
  • 机械工程
  • 材料力学
  • 计算力学
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具体描述

Today's biggest structural engineering challenge is to design better structures, and a key issue is the need to take an integrated approach which balances control of costs with the requirement for handling earthquakes and other dynamic forces. Structural optimization is based on rigorous mathematical formulation and requires computation algorithms for sizing structural elements and synthesizing systems. Now that the right software and enough computing power are readily available, professionals can now develop a suite of alternative designs and a select suitable one. A thoroughly-written and practical book on structural optimization is long overdue. This solid book comprehensively presents current optimization strategies, illustrated with sufficient examples of the design of elements and systems and presenting descriptions of the process and results. Emphasis is given to dynamic loading, in particular to seismic forces. Researchers and practising engineers will find this book an excellent reference, and advanced undergraduates or graduate students can use it as a resource for structural optimization design.

结构优化:超越理论的工程实践 《结构优化》一书并非一本纯粹的理论著作,而是旨在为工程师、研究人员及相关领域的专业人士提供一套系统性的、面向实际应用的结构优化方法和技术。本书深入探讨了如何通过系统性的设计和分析过程,在满足工程约束的前提下,实现结构性能的最大化或成本的最小化。 本书从最基础的优化原理出发,逐步深入到各种先进的优化算法和应用。读者将首先接触到优化的基本概念,包括目标函数、约束条件、设计变量等,理解结构优化问题的数学表述。随后,本书将详细介绍经典的优化方法,如梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法等,并分析它们在结构优化问题中的适用性和局限性。 然而,真正的工程实践往往面临着更为复杂的挑战。《结构优化》并未止步于此,而是将重点放在了如何应对这些挑战。书中花费大量篇幅介绍了几种在工程领域被广泛证明行之有效的优化算法,包括: 启发式算法: 针对那些目标函数非凸、导数难以获得或计算成本极高的复杂问题,本书将详述遗传算法(GA)、粒子群优化(PSO)、模拟退火(SA)等启发式算法。这些算法模仿自然界的进化过程或物理现象,能够有效地在巨大的设计空间中搜索最优解,即使面临局部最优解的陷阱,也能通过其全局搜索能力找到更优的解决方案。本书将详细解析这些算法的原理、流程,以及如何在工程应用中进行参数调优,以获得最佳的优化效果。 响应面法(RSM): 在某些情况下,结构响应的计算可能非常耗时,例如复杂的有限元分析。此时,直接进行大量的优化迭代将变得不切实际。本书将介绍如何利用响应面法,构建一个由少量精确计算数据拟合而成的近似模型,然后在这个近似模型上进行优化。这将极大地缩短优化过程的计算时间,同时保持较高的精度。本书将深入讲解构建和评估响应面模型的技巧,以及如何将其与传统优化算法相结合。 拓扑优化(Topology Optimization): 这是一种更为根本的结构优化方法,它不局限于在预设的形状范围内进行优化,而是允许在给定的设计区域内,自主决定材料的分布,从而生成全新的、最优的结构形态。本书将系统介绍不同类型的拓扑优化方法,如SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)法和Level Set法,并阐述其背后的数学原理和数值实现。读者将学习如何定义设计区域、材料属性、载荷和边界条件,并通过拓扑优化算法得到轻质高强的结构设计。本书将重点关注拓扑优化结果的后处理和工程可制造性分析,确保优化出的结构能够被实际制造出来。 尺寸优化(Sizing Optimization)与形状优化(Shape Optimization): 在理解了拓扑优化的概念后,本书将进一步探讨在已知基本结构形态的基础上,对结构的尺寸参数(如梁的截面尺寸、板的厚度)或几何形状(如曲线、曲面)进行优化的方法。本书将介绍如何将这些优化问题转化为数值优化的形式,并运用前面介绍的各种优化算法来求解。 《结构优化》不仅关注优化算法本身,更强调其在实际工程中的应用。本书将通过大量的工程案例,展示结构优化在各个领域的应用成果,包括但不限于: 航空航天工程: 如何设计更轻、更坚固的飞机机翼、火箭箭体,以提高燃油效率和载荷能力。 汽车工程: 如何优化车身、底盘结构,以实现轻量化、提高碰撞安全性并降低能耗。 土木工程: 如何设计更经济、更安全的桥梁、高层建筑,以抵抗地震、风等外部载荷。 机械工程: 如何优化齿轮、轴、连接件等零部件,以提高强度、刚度和耐久性。 生物医学工程: 如何设计人工关节、骨骼支架等,以实现更好的生物相容性和力学性能。 在这些案例分析中,本书将详细阐述如何将实际工程问题转化为数学模型,如何选择合适的优化算法,如何设定目标函数和约束条件,以及如何解释和验证优化结果。此外,本书还将讨论一些在工程实践中经常遇到的挑战,如: 多目标优化(Multi-objective Optimization): 在实际工程中,往往需要同时考虑多个相互冲突的目标,例如在减重的同时提高刚度。本书将介绍处理多目标优化的方法,如Pareto最优解的概念及其求解策略。 可靠性优化(Reliability-based Optimization): 真实世界中的载荷、材料属性等都存在不确定性。本书将探讨如何将不确定性因素纳入优化过程中,以获得在各种不确定性情况下都能表现良好的鲁棒设计。 制造约束(Manufacturing Constraints): 优化出的结构必须是可制造的。本书将讨论如何将制造工艺的限制,如最小壁厚、拔模角度等,融入到优化过程中。 与有限元分析(FEA)的集成: 结构优化通常需要与数值仿真工具(如FEA)紧密结合。本书将介绍如何有效地将优化算法与FEA软件进行集成,实现自动化优化流程。 《结构优化》一书的语言清晰、逻辑严谨,旨在帮助读者建立扎实的理论基础,同时掌握解决实际工程问题的能力。本书的每一章都配有详细的解释和图示,以便读者更好地理解复杂概念。书中包含的实例分析丰富且贴近工程实际,为读者提供了宝贵的参考。通过学习本书,读者将能够更有效地利用计算工具和优化技术,设计出更优、更经济、更可靠的工程结构。本书的目标是赋能工程师,让他们能够突破传统设计的局限,实现工程创新的新高度。

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读后感

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用户评价

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总而言之,这本书给我的感觉,就像一位技艺精湛的工匠,不仅提供了最精良的工具,还手把手地教会你如何使用它们去创造奇迹。它的叙述风格在保持高度专业性的同时,又充满了对读者学习过程的体贴与关怀,这种平衡是极为难得的。读完之后,我感觉自己对“结构”这个概念的理解发生了根本性的变化——它不再仅仅是抵抗荷载的材料堆砌,而是一个可以在数学空间中被精雕细琢、不断迭代和完善的动态实体。这本书不仅仅是一本知识的传授者,更像是一位能够激发你持续探索欲的引路人。对于任何希望在结构工程、机械设计或相关领域寻求突破的专业人士或高阶学生而言,它绝对是书架上不可或缺的镇宅之宝,它的价值,远超其纸张和油墨的成本。

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这本书在处理不同学科交叉融合时的表现,尤其令人印象深刻。我原以为它会局限于纯粹的结构力学范畴,但令人惊喜的是,在讨论迭代算法的收敛性时,作者非常自然地引入了控制论中的稳定性分析工具,并且在探讨全局最优解的寻找策略时,引用了现代启发式算法(如遗传算法和粒子群优化)的哲学思想。这种跨学科的视野,让原本看似孤立的结构分析问题,突然拥有了更广阔的视角和更丰富的解决方案。在分析算法效率的部分,作者没有回避各种方法的局限性,而是坦诚地指出,在面对大规模非线性问题时,计算成本的权衡是多么关键。这种坦诚的态度,为读者建立了一种成熟的、批判性的学术思维,让我意识到,任何最优解都是在特定约束和资源限制下的“次优”选择,这种辩证法的应用,让整本书的价值提升到了方法论的层面。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮,那种沉稳的深蓝色调配上烫金的书名,散发着一种古典而又专业的韵味。我是在一家独立书店里偶然翻到它的,第一眼就被封面上那种精细的几何线条和仿佛在讲述某个复杂结构的图示所吸引。内页的纸张选择也十分考究,触感厚实,文字和图表的排版清晰工整,即便是面对那些复杂的公式和复杂的工程图,阅读起来也不会感到疲惫。作者在版式设计上显然是下了不少功夫,很多关键概念的插图都用更亮的颜色进行了突出,这对于初次接触这领域的人来说,无疑是一个巨大的便利。尤其欣赏的是它在章节过渡页的处理,总能用一幅简洁但意蕴深远的小图,巧妙地将前后的知识点串联起来,使得整本书的阅读体验如同走在一条精心规划的路径上,每一步都有清晰的指引,而不是零散的知识点堆砌。这种对细节的执着,让我对书的内容充满了期待,感觉它不仅仅是一本教科书,更像是一件精心打磨的艺术品。

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我带着一种近乎朝圣般的心情,深入阅读了本书的开篇几章,立刻感受到作者深厚的学术功底和极其严谨的逻辑构建能力。它并没有采用那种堆砌大量生涩术语的传统方式来开场,反而从一个非常宏观且引人入胜的工程案例切入,比如一座超高层建筑在特定风荷载下的响应分析,一下子就把读者带入了实际应用的情境之中。随后,作者才开始系统地、抽丝剥茧般地引入基础理论,每一个新的概念,无论是变分原理还是有限元基础,都配有详尽的数学推导过程,但这些推导并非枯燥的公式堆砌,而是穿插着清晰的物理意义阐释,让人明白“为什么”要这样做,而不是仅仅“如何”去做。我特别留意了作者处理“约束条件”那部分,他用近乎散文诗般的笔法描述了边界条件如何塑造最终的解的形态,这种富有洞察力的叙述方式,极大地激发了我对力学本质的兴趣。这本书的理论深度是毋庸置疑的,但更可贵的是它保持了一种罕见的教学温度。

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如果说理论部分是骨架,那么本书所附带的案例研究和习题集无疑就是充盈血肉的肌理。我通常对教材后面的习题抱持着一种“完成任务”的心态,但这本书的习题设计却让我感受到了挑战的乐趣。它们并非简单的数值代入,而是巧妙地设计成一系列递进式的工程难题。比如,其中一组关于拓扑优化在仿生结构设计中的应用的练习,要求我们不仅要计算出最优的材料分布,还要对该分布的生物学合理性进行定性分析,这极大地拓宽了我对“优化”二字的理解。更赞的是,在一些高级章节的末尾,作者提供了一些基于开源软件(如Python或MATLAB)的伪代码框架,这些代码片段简洁而优雅,为我们动手实现复杂的算法提供了绝佳的起点,避免了许多初学者在环境配置和基础编程上的弯路。这体现了作者对现代工程实践的深刻理解,知道理论与实践之间的那座桥梁该如何架设。

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