机械设计模糊优化原理及应用

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出版者:科学出版社
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页数:0
译者:
出版时间:1900-01-01
价格:15.0
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isbn号码:9787030059444
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图书标签:
  • 机械设计
  • 模糊优化
  • 优化算法
  • 工程应用
  • 模糊数学
  • 设计方法
  • 智能优化
  • 可靠性设计
  • 创新设计
  • 计算机辅助设计
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具体描述

精密制造与智能控制:面向复杂系统的优化设计新范式 图书简介 本书系统阐述了面向现代复杂工程系统,特别是精密制造、航空航天以及高端装备领域中,如何有效处理不确定性和多目标冲突的优化设计方法。全书聚焦于超越传统确定性建模的局限性,深入探讨如何利用先进的数学工具和计算智能技术,实现系统性能、可靠性与成本之间的最优权衡。 第一部分:复杂系统建模与不确定性量化 第一章 复杂系统的结构与特性 本章首先界定了现代工程复杂系统的内涵,包括其层级结构、动态耦合特性以及固有的不确定性来源。我们探讨了传统工程设计中对理想化假设的过度依赖,并指出在面对高精度、高可靠性要求时,这种依赖带来的设计鲁棒性不足。重点分析了参数不确定性(材料性能波动、制造误差)、模型不确定性(简化模型与实际物理过程的偏差)以及环境不确定性(运行载荷的随机变化)对系统性能的影响机制。本章将引入拓扑分析和网络理论的基本概念,为后续的复杂系统描述打下基础。 第二章 不确定性描述的数学框架 本部分详细介绍了描述和量化系统不确定性的主要数学工具。传统的概率论方法在信息不充分或存在歧义的模糊现象面前显得力不从心。因此,我们着重探讨了集值分析(Set-Valued Analysis)和可能性测度(Possibility Measures)的应用,作为对传统概率测度的一种有效补充。详细阐述了区间分析(Interval Analysis)在保守估计中的作用,以及如何通过可信度理论(Credibility Theory)来构建不确定性信息传播模型。此外,还引入了随机集理论(Random Set Theory),用于处理认知不确定性。本章通过具体的工程案例,演示了如何根据设计信息的完备程度,选择最合适的数学框架进行不确定性量化。 第三章 性能评估的鲁棒性指标 在不确定环境下,单一的期望性能指标已不足以衡量设计的优劣。本章聚焦于鲁棒性(Robustness)和可靠性(Reliability)的量化评估。我们区分了“可靠性鲁棒性”(系统在随机扰动下的失效概率)和“稳健性”(系统对故意或非故意的模型偏差的抵抗能力)。提出了基于可靠性指标(Reliability Index)的扩展方法,并引入了最小裕度准则(Minimum Margin Criterion)来评估设计的安全裕度。针对多目标优化,本章探讨了帕累托前沿的鲁棒性度量,即如何识别对设计变量微小变化最不敏感的帕累托最优解集。 第二部分:面向不确定性的优化设计理论 第四章 传统优化方法的局限性与改进 本章回顾了经典确定性优化方法(如梯度法、牛顿法、KKT条件)在处理高维、非光滑或约束高度耦合问题时的不足。随后,重点分析了当目标函数或约束条件依赖于不确定参数时,标准优化算法会陷入的局部最优陷阱或产生不可靠的解。在此基础上,我们引入了可靠性导向优化(Reliability-Based Optimization, RBO)的基本框架,特别是一阶可靠性方法(FORM)和二阶可靠性方法(SORM)的原理及其在工程设计中的应用限制。 第五章 拓扑优化与结构可靠性融合 本部分是本书的理论核心之一,探讨如何将结构优化(特别是拓扑优化)与不确定性分析相结合。我们阐述了可靠性导向的拓扑优化(Robust Topology Optimization, RTO)的数学公式推导,如何将不确定性约束纳入密度法或水平集方法的控制方程中。详细介绍了设计空间划分技术,用以分离确定性设计变量和随机设计变量。本章还提出了目标函数空间(Objective Space)的鲁棒性处理,确保在不确定性范围内,目标性能指标的变异性被最小化,而不是仅仅最小化期望值。 第六章 基于智能算法的全局搜索策略 针对复杂系统优化问题中目标函数高度非线性和搜索空间巨大的特点,本章专注于计算智能(Computational Intelligence)在求解不确定性优化问题中的应用。重点介绍了进化算法(Evolutionary Algorithms)如带惩罚项的遗传算法(GA)和差分进化(DE)在处理多约束和非凸问题中的优势。更深入地探讨了粒子群优化(PSO)和蜂群算法(ABC)等群体智能方法,如何通过动态调整搜索策略,有效平衡全局探索与局部开发。为增强算法的鲁棒性,本章引入了自适应变异机制和多模态竞争策略,以应对多峰值和平台区域的优化挑战。 第三部分:工程应用与先进技术集成 第七章 响应面法与代理模型构建 在涉及耗时长、计算成本高的仿真(如有限元分析FEA)时,直接在不确定参数空间进行迭代优化是不可行的。本章详述了代理模型(Surrogate Modeling)技术,特别是响应面法(Response Surface Methodology, RSM)的构建流程。详细介绍了Kriging(克里金)模型、支持向量回归(SVR)以及神经网络(ANN)在拟合复杂响应面中的性能比较和参数选择。重点讨论了不确定性量化下的模型不确定性传播,即代理模型自身的误差如何被纳入到最终的鲁棒性评估中,从而避免“模型之下的模型”误差。 第八章 多目标冲突求解与决策支持 工程设计往往是多目标冲突的,例如高强度与低成本、高速度与长寿命之间的矛盾。本章系统阐述了多目标优化(Multi-Objective Optimization, MOO)的原理,特别是如何将不确定性纳入MOO框架,形成鲁棒多目标优化(Robust MOO)。详细介绍了ε-约束法、加权求和法的改进版本,以及NSGA-II等进化算法在生成鲁棒帕累托前沿中的应用。最后,引入了决策支持系统(Decision Support Systems, DSS)的概念,结合熵权法或TOPSIS方法,帮助工程师在获取鲁棒帕累托解集后,做出符合工程实际和经济约束的最佳选择。 第九章 案例研究:高端装备的优化设计实践 本章通过两个深入的工程案例,展示前述理论和方法的实际应用效果。 案例一:高精度机床主轴系统的动态刚度与寿命协同优化。 探讨如何将制造误差(轴承间隙、动平衡偏差)作为不确定性输入,通过可靠性导向的拓扑优化方法,设计出在宽泛的运行速度范围内仍能保持高动态刚度的主轴结构。 案例二:轻量化航空结构件的尺寸与材料参数的稳健优化。 针对复合材料的层合角度和厚度分布,应用基于代理模型的随机优化技术,确保结构在不同载荷谱和温度环境下的应力裕度达到预设的鲁棒性水平,并与传统基于期望值的优化结果进行量化对比。 全书结构严谨,逻辑递进,理论深度与工程实用性并重,是从事高端装备设计、精密仪器研发以及相关领域研究的工程师和研究人员的必备参考书。

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读后感

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说实话,看到这本书的书名,我第一反应是“这好像离我挺远的”。我是一名普通的汽车维修技师,平时的工作就是诊断故障、更换零件、进行日常保养。我们的工作主要基于对车辆结构和故障排除的经验积累,以及一些汽车维修手册上的指导。对于“机械设计”和“模糊优化”这样的词汇,听起来都像是在实验室里进行的研究,和我每天面对的油污、扳手、发动机的声音不太沾边。但是,当我静下心来思考,我们日常工作中是不是也存在着很多“模糊”的情况?比如,客户描述的故障现象:“车子开起来有点奇怪”,这个“奇怪”到底是什么意思?是异响?是抖动?还是动力不足?我们需要通过大量的问诊和试车来“猜测”和“推断”问题的根源。又比如,一些老旧车辆的零部件,可能已经停产,我们只能在市场上寻找替代品,而这些替代品在尺寸、材质、性能上可能和原装件存在细微的差异,我们需要根据经验来判断它是否能用,以及能用多久。我猜想这本书,虽然书名听起来很学术,但它所讲的“模糊优化”原理,或许能为我们这些一线维修人员提供一种新的思考方式。我希望能从书中读到一些关于如何处理不确定信息、如何进行模糊判断的案例,也许它能帮助我们更准确地理解客户的“模糊”描述,或者在选择替代零件时,能有一个更科学的依据来评估其适用性。我希望这本书能够以一种通俗易懂的方式,将那些高深的理论转化成一种实用的思维工具,让我能够举一反三,在面对各种复杂且不确定的维修难题时,能够更从容、更高效地找到解决方案。

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初次拿到这本书,我的第一反应是“这名字好长,而且好专业!”。我是在一家小型机械零部件加工厂工作的技术员,主要负责一些数控编程和生产现场的管理。我们厂规模不大,技术力量也算不上顶尖,但一直秉承着“质量为先,客户至上”的原则。然而,现实往往是残酷的,很多时候我们面临的设计和生产问题,都不是教科书上那种非黑即白、数据精确的。比如,客户提出的精度要求,有时候会说“差不多就行”,这个“差不多”到底是个什么范围?我们根据经验去理解,但有时候还是会因为理解偏差导致返工。又比如,我们在选择原材料的时候,不同批次的钢材,其内部成分可能存在微小差异,这在加工过程中就会导致一些难以预测的现象,影响最终产品的性能。我一直觉得,我们的工作方式还是比较依赖经验和一些基础的工程知识,缺乏更高级的理论指导来处理这些“模糊”的情况。这本书的书名让我觉得它可能就是在解决我工作中遇到的这些难题。我猜测书中会讲解如何把那些不精确的、模糊的描述转化为可以被计算机处理的模型,然后通过某种“优化”的方法,在有限的资源和条件下,找到一个最优的解决方案。我非常好奇“模糊优化”这个技术具体是如何实现的,它是否能够帮助我们更好地理解客户的需求,更精确地控制生产过程中的不确定性,从而提高产品合格率,减少浪费。如果这本书能提供一些实际操作的指导,比如如何设置模糊参数,如何解读优化结果,那就太棒了。我希望它能成为我解决实际生产难题的一本“秘籍”,让我能够更有底气地面对那些“说不清道不明”的技术挑战。

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这本书的封面设计就给我一种耳目一新的感觉,不是那种硬邦邦的理工科封面,而是带有一点抽象的艺术感,色调深沉却不压抑,隐约能看到一些齿轮和线条交错的图案,这让我一开始就对“机械设计”和“模糊优化”这两个词的结合产生了强烈的好奇。我本身是做工业产品设计的,日常工作中经常会遇到各种不确定性和模糊性,比如用户对产品外观的喜好很难量化,材料的性能指标也总是有一定的浮动范围,以及生产工艺参数的选择往往需要在多个互相制约的因素中权衡。我一直在寻找能够更有效地处理这些模糊信息的工具和方法,而“模糊优化”这个概念听起来就非常有潜力。我猜想这本书会从模糊集合论的基础讲起,解释什么是模糊数、模糊关系,然后引申到模糊逻辑及其在决策过程中的应用。我特别期待书中能详细阐述如何将模糊集合论的理论应用到机械设计的具体环节,比如如何通过模糊隶属函数来量化设计参数的不确定性,如何构建模糊决策模型来评估不同设计方案的优劣,以及如何利用模糊推理来优化设计目标,例如在保证强度、刚度、成本、可靠性等多个指标之间找到一个最佳的平衡点。我脑海中构想的场景是,作者会举一些非常贴近实际的例子,比如在选择轴承类型时,考虑到载荷的波动性和使用寿命的不确定性,如何运用模糊优化方法来选择最合适的轴承;或者在设计齿轮传动时,如何考虑制造误差、润滑状态对传动精度的影响,并用模糊优化来提高传动效率和降低噪音。我希望书中不仅仅是理论的堆砌,更要有实际案例的支撑,甚至最好能有一些通俗易懂的图表和流程图来帮助我理解复杂的概念。我对这本书的期待是,它能够为我打开一扇新的大门,让我能够更科学、更系统地应对机械设计中那些难以精确描述的挑战,最终设计出更加人性化、智能化、高效率的产品。

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我是一位刚毕业不久的机械工程硕士,目前在一家专注于智能制造设备研发的公司工作。我的日常工作包括参与新产品的设计、对现有产品进行技术改进,以及解决生产过程中出现的各种技术难题。我们公司一直致力于将先进的技术理念融入到产品中,所以我对各种新兴的工程技术都保持着高度的关注。当我看到这本书的书名时,我立刻就被“模糊优化”这个概念所吸引。在智能制造领域,我们经常需要处理各种动态变化、不确定性以及难以量化的因素。例如,在机器人抓取不同形状和大小的物体时,精确的路径规划变得困难;在自动化生产线上,不同工件的加工精度可能会有微小的偏差,如何进行实时的参数调整以保证产品质量;甚至在人机协作的场景下,如何理解和响应操作员模糊的指令。我猜想这本书会深入探讨如何利用模糊逻辑和模糊集合论来建模和处理这些不确定性,并通过各种优化算法来找到最佳的设计和控制策略。我特别期待书中能够提供一些关于模糊控制、模糊规划在机器人技术、自动化生产线设计或智能制造系统优化方面的实际应用案例。我设想的场景是,作者会通过一些具体的例子,比如如何设计一个能够适应不同物体的柔性抓手,如何优化生产线的节拍以应对物料的不确定性,或者如何构建一个能够理解模糊指令的智能调度系统,来展示模糊优化方法的强大功能。我希望这本书能够为我提供一套全新的技术工具箱,帮助我在智能制造领域取得更大的突破。

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作为一个对数学和工程理论都有一定兴趣的在读研究生,我一直对优化方法在工程领域中的应用非常着迷。从经典的线性规划、非线性规划,到组合优化,我都有涉猎。但是,在一些实际工程问题中,我们常常会发现,很多参数的取值并不是精确的数字,而是带有一定的不确定性,或者说是一种模糊的描述。例如,在进行结构强度分析时,材料的弹性模量、泊松比往往会随着温度、湿度的变化而波动,而载荷的分布也可能不是均匀的,而是存在一定的模糊性。传统的精确优化方法在面对这些模糊性时,往往会显得力不从心,或者需要进行大量的简化和假设,这可能会导致优化结果的可靠性降低。因此,当我看到这本书的书名《机械设计模糊优化原理及应用》时,我立刻被它吸引住了。我推测这本书会深入探讨如何将模糊数学的理论与优化算法相结合,形成一套能够处理不确定性和模糊性的优化方法。我非常期待书中能够详细阐述模糊集合、模糊隶属函数、模糊推理等基本概念,并说明它们是如何被应用于建立模糊的目标函数和约束条件。更重要的是,我希望这本书能够提供一些具体的模糊优化算法,例如基于模糊聚类、模糊决策树或者模糊神经网络的优化方法,并解释这些算法是如何在机械设计中找到最优解的。我设想的场景是,作者会用一些经典的机械设计问题作为案例,例如机械臂的路径规划、多体系统的动力学仿真参数优化,或者复杂机械结构的性能指标优化,来演示模糊优化方法的强大之处。我希望这本书能够为我提供更深刻的理论认识和更实用的技术手段,让我能够更好地应对工程实践中遇到的那些“模糊”的挑战,并为我未来的科研工作打下坚实的基础。

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作为一个对技术细节有着近乎偏执追求的机械工程师,我总是喜欢挖掘那些隐藏在表面之下的原理。很多时候,我们设计的机械系统,其性能的优劣不仅仅取决于几个关键参数的精确数值,更在于那些难以量化、但又至关重要的因素。比如,一个传动系统的平稳性,它受到的不仅仅是轴承的精度,还包括润滑油的粘度变化、齿轮表面的微观粗糙度,以及工作环境温度的波动。这些因素的叠加,往往会导致最终的传动效果出现模糊的变化,而传统的优化方法很难捕捉到这种精妙的关联。我猜测这本书会深入探讨“模糊”的概念如何渗透到机械设计的每一个环节,并提供一套系统的方法论来驾驭这种模糊性。我希望书中能够详细讲解如何构建模糊隶属函数来量化这些难以精确描述的物理量,如何运用模糊规则来进行推理和决策,以及如何通过模糊优化算法来寻找在这些模糊约束下的最优解。我脑海中设想的场景是,作者会以一个复杂的机械系统为例,比如精密机床的伺服控制系统,或者高精度光学仪器的稳定平台,来一步步展示如何运用模糊优化来提升系统的性能。我期待书中能够提供一些我从未接触过的分析工具和计算方法,能够帮助我更深刻地理解机械系统运行的内在逻辑,并设计出那些在细节之处同样卓越的产品。

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我是一名热爱钻研的业余机械爱好者,平时喜欢动手制作一些小模型、小装置。虽然我的专业背景不是机械工程,但我对机械原理和设计一直充满热情。我常常会遇到这样的情况:我有一个初步的设计想法,也知道大概需要哪些零部件,但是当我要确定具体参数的时候,就遇到了瓶颈。比如,我想要制作一个能够稳定支撑重物的支架,我需要确定它的材料强度、杆件的长度和连接方式,但我对这些参数的取值并没有一个非常精确的把握,有时候凭感觉去决定,结果做出来的东西要么过于笨重,要么不够稳定。我一直在寻找一种能够帮助我更好地在“大概”和“精确”之间找到平衡的方法。当我看到这本书的书名时,我感觉它可能会为我打开一扇新的大门。我猜想这本书会从“模糊”这个概念入手,教我如何去理解那些不确定的因素,以及如何用一种更灵活的方式来处理它们。我希望书中能够提供一些通俗易懂的案例,比如如何为我制作的那个支架选择合适的材料,如何确定杆件的长度和角度,并且能够给我一些指导,即使我的数据不是那么精确,也能得到一个相对优化的结果。我希望这本书能够让我摆脱那种“凭感觉”的设计模式,学会用一种更科学、更系统的方法来解决我的业余项目中的技术难题,让我的动手能力和设计水平更上一层楼。

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我是一名资深的机械工程师,在一家大型航空发动机制造企业工作了二十多年。我们接触到的很多设计和生产环节都要求极高的精度和可靠性,容不得丝毫的马虎。然而,即使在这样严谨的环境下,依然存在着许多“不确定”的因素。比如,材料的微观结构变化、加工过程中的微小应力残余、以及长期服役过程中环境因素的影响,这些都很难用精确的数学模型来完全描述。长期以来,我们在处理这些问题时,更多地依赖于大量的实验数据、经验法则以及保守的安全系数。但随着技术的发展,我们越来越感受到需要一种更科学、更系统的方法来处理这些固有的不确定性,以达到更高的设计效率和产品性能。当我看到这本书的书名时,我的第一感觉是,这可能就是我们一直在寻找的那种能够 bridging theory and practice 的工具。我猜想这本书会从模糊数学的理论基础讲起,但更重要的是,它会详细介绍如何将这些理论应用于机械设计的具体过程。我特别希望书中能够提供一些具体的、可操作的算法和流程,比如如何将模糊的性能要求转化为可计算的模糊指标,如何建立模糊的目标函数来综合评价不同的设计方案,以及如何利用模糊推理来动态调整设计参数以适应不断变化的工作条件。我想象的场景是,作者会通过一些航空发动机关键零部件的设计案例,比如涡轮叶片的气动外形优化、燃烧室壁面的热防护设计,或者传动系统的可靠性分析,来展示模糊优化方法的应用。我希望这本书能够提供一套全新的视角和方法论,帮助我们更有效地管理设计过程中的不确定性,从而设计出更加先进、可靠、高效的航空发动机。

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我是一位机械工程专业的教师,平时除了授课,也会指导一些本科生和研究生的毕业设计。在我多年的教学过程中,我发现学生们在面对一些复杂的设计问题时,常常会遇到困难,尤其是在需要综合考虑多个相互矛盾的设计指标时。比如,如何在保证强度的同时降低重量,如何在提高效率的同时延长使用寿命,这些都是经典的优化问题。但很多时候,这些指标的“最优”程度往往是模糊的,或者说很难用一个精确的数学公式来定义。学生们往往会选择一个相对容易实现的折衷方案,但很难找到理论上最优的解。当我看到这本书的书名时,我感觉这本教材可能会为我提供一种全新的教学思路和方法。我猜想书中会详细讲解模糊集合论、模糊逻辑以及模糊推理的基本原理,并在此基础上介绍如何将这些模糊理论应用于建立模糊的目标函数和约束条件。我特别期待书中能提供一些清晰的算法框架和示例,展示如何将模糊优化方法应用于解决具体的机械设计问题,例如参数选择、结构布局、材料设计等。我设想的场景是,作者会提供一些不同难度和类型的案例,从简单的参数优化到复杂的系统集成,让学生们能够逐步掌握模糊优化的精髓。如果书中能包含一些可视化工具或者仿真平台的介绍,那就更好了,能够帮助学生们更直观地理解模糊优化的过程和结果。我希望这本书能够成为一本优秀的教材,帮助我的学生们摆脱对精确数学模型的依赖,学会用更灵活、更有效的方式来解决工程设计中的实际问题,培养他们创新和解决复杂问题的能力。

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我在一家跨国工程咨询公司工作,主要负责为客户提供各类工业项目的技术解决方案。在我的工作中,经常需要评估和优化各种复杂的工程系统,比如能源供应网络、物流运输系统、甚至是大型工业园区的布局。这些系统往往涉及大量的变量、相互关联的子系统以及高度不确定的外部环境因素,比如市场需求的变化、政策法规的调整、甚至自然灾害的发生。如何在如此复杂和不确定的环境下,找到一个最优的解决方案,对我们来说是一个巨大的挑战。我们一直依赖于传统的优化方法,但很多时候,模型的输入参数本身就带有很大的模糊性,使得最终的优化结果难以令人信服。当我看到这本书的书名时,我立刻感觉到它可能为我们提供了一种全新的、更强大的工具。我猜测这本书会详细阐述如何将模糊数学的理论与现代优化算法相结合,形成一套能够应对高度不确定性和模糊性的工程优化方法。我特别期待书中能够提供一些在复杂系统工程中应用模糊优化的具体案例,例如如何通过模糊优化来设计一个具有高弹性和鲁棒性的能源分配系统,或者如何利用模糊推理来优化多式联运的物流网络,以应对运输中断等不确定性。我希望这本书能够为我提供一套更科学、更系统的方法论,帮助我们在为客户提供技术咨询服务时,能够更准确地评估风险,更有效地优化方案,从而为客户创造更大的价值。

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