科学计算及应用研究进展 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学

作者:科学出版社 编

出品人:

页数:428

译者:

出版时间:2004-8

价格:150.00元

装帧:

isbn号码:9787030141163

丛书系列:

图书标签:

• 科学计算
• 数值分析
• 计算数学
• 应用数学
• 算法
• 优化
• 模拟
• 数据分析
• 高性能计算
• 工程计算

现代工程与仿真技术前沿探索 一、 引言：数字化浪潮下的工程范式变革 进入二十一世纪，全球科技领域正经历着一场深刻的范式转变。信息技术、计算科学与工程实践的深度融合，以前所未有的速度推动着工业、能源、生物医学乃至基础科学的创新。传统的基于经验和实验的工程设计流程，正逐步被数据驱动、模型预测和高精度仿真所取代。这种变革的核心在于对复杂系统进行精确建模、高效求解以及智能化分析的能力。本书《现代工程与仿真技术前沿探索》旨在聚焦于当前工程实践中最具活力和影响力的计算方法、仿真工具以及跨学科应用领域，为工程技术人员、研究人员和高年级学生提供一个全面而深入的视野。 二、 计算方法论的革新与高性能计算基础 工程仿真的精度和效率，在很大程度上依赖于底层数值算法的先进性。本书将首先深入探讨那些支撑现代复杂系统分析的关键计算方法论。 2.1 偏微分方程的离散化技术升级： 我们不再局限于传统的有限差分法（FDM）。本书将详尽阐述有限元方法（FEM）在处理非线性、多尺度问题时的最新发展，特别是针对复杂几何体和接触边界的网格生成与自适应细化策略。此外，对无网格方法（如光滑粒子流体力学 SPH、无网格有限元 FVM）的最新进展也将进行重点分析，这些方法在处理大变形、流固耦合（FSI）以及材料破坏问题中的优势将被深入剖析。边界元方法（BEM）在处理均匀介质和无限域问题时的效率提升，特别是其与现代迭代求解器的结合，也是本章的重点内容。 2.2 迭代求解器与预处理器的高效性： 大型工程问题的求解，往往归结为对巨型稀疏线性系统的求解。本书将对比分析 Krylov 子空间方法（如 GMRES, BiCGSTAB）在不同矩阵结构下的收敛特性。更重要的是，针对实际工程中常见的非对称、不定定系统，我们将深入研究代数多重网格法（AMG）和各种高效预处理技术（如不完全 LU 分解 ILU、Schur 补方法）在并行环境下的优化策略。如何设计适用于 GPU 或众核架构的并行求解器，是现代高性能计算（HPC）工程应用中的核心挑战。 2.3 随机性与不确定性量化（UQ）： 现实世界的工程数据和模型参数往往带有不确定性。本书将详细介绍如何将概率论和统计学工具融入仿真流程。随机过程理论在载荷分析中的应用，多项式混沌展开（PCE）、玻尔兹曼机（BM）在不确定性传播中的应用，以及如何利用高维蒙特卡洛模拟（MCS）和准蒙特卡洛序列（QMC）来量化系统性能的概率分布，从而指导鲁棒设计，将是本部分强调的重点。 三、 前沿仿真技术在关键工程领域的突破 计算仿真已不再是单一学科的工具，而是成为跨学科研究的粘合剂。本书将选取几个代表性的前沿应用领域进行深度剖析。 3.1 计算流体力学（CFD）与湍流建模的深化： 在航空航天、能源和环境工程中，精确预测流动行为至关重要。本书将超越传统的雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）模型，详细阐述大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的计算成本与精度权衡。特别关注边界层分离、复杂涡流结构（如翼尖涡、分离泡）的解析能力，以及跨音速和高超音速流动中化学反应、激波边界层相互作用的耦合求解技术。 3.2 结构动力学与多物理场耦合： 现代结构往往需要在热、电、磁等多种物理场约束下工作。本书将系统介绍如何构建可靠的多物理场（Multi-physics）耦合模型。重点讨论热固耦合、流固耦合（FSI）以及电磁结构耦合（ESM）的数值实现方案，例如，在电磁驱动下的微纳机电系统（MEMS）的设计与分析，以及大型土木结构在极端载荷（如地震、爆炸）下的非线性响应模拟。此外，材料本构模型的演进，特别是相场法（Phase Field Method）在模拟材料断裂、疲劳和损伤演化方面的应用，将占据重要篇幅。 3.3 计算生物力学与医学工程的新视野： 仿真技术正在深刻改变生物医学研究。本书将探讨如何在细胞尺度、组织尺度和器官尺度上建立有效的生物力学模型。例如，心脏瓣膜的血流动力学分析（Fluid-Structure Interaction in Cardiac Valves）、骨组织在生物力学负荷下的再生与修复过程的计算模型，以及药物输送系统在复杂生物环境中的动态模拟。这些模型对个性化医疗和新型医疗器械的开发具有直接指导意义。 四、 数据驱动的智能仿真与逆向工程 “仿真+AI”是当前工程计算领域最热门的方向。本书将探讨如何利用机器学习和深度学习技术来增强和加速传统的基于物理的模型。 4.1 替代模型（Surrogate Models）与降阶建模： 对于那些计算成本极高的仿真，我们如何快速获得近似解？本书将介绍基于高斯过程回归（GPR）、径向基函数网络（RBFN）以及深度神经网络（DNN）构建的替代模型技术。更进一步，将深入探讨本征正交分解（POD）和集合经验正交分解（EIM）等模态分析技术在系统降阶建模中的应用，实现实时或近实时工程预测。 4.2 物理信息神经网络（PINNs）的兴起： PINNs 彻底改变了传统上依赖大量标记数据训练神经网络的方式。本书将详细解析 PINNs 如何将偏微分方程作为“损失函数”的一部分，从而在稀疏数据条件下实现对物理系统的有效拟合与求解。这对于数据稀疏的化学反应工程、未知参数识别等领域具有革命性的意义。 4.3 逆向问题与参数识别： 工程实践中，我们常面临“已知输出，求未知输入”的逆问题。本书将介绍如何利用伴随方法（Adjoint Method）高效计算梯度信息，并结合优化算法（如 L-BFGS-B）对材料参数、边界条件进行高精度反演。这在无损检测、传感器布局优化和模型校准中具有极高的应用价值。 五、 结论：未来计算工程的挑战与展望 本书最后部分将总结当前工程仿真技术所面临的瓶颈，包括超大规模数据的处理、模型验证与确认（V&V）的标准化挑战、以及将桌面级仿真能力迁移至边缘计算环境的需求。未来的研究方向将集中在量子计算对数值算法的潜在颠覆性影响，以及构建更加自适应、自修正的“数字孪生”系统，确保工程决策的准确性和可靠性。

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