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出版者:科学出版社发行部

作者:蔡启明

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2005-10

价格:32.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030159892

丛书系列:

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• 人因工程
• 工效学
• 人机交互
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• 人机系统

机械系统动力学分析与优化设计 本书聚焦于复杂机械系统的运动规律、能量传递及振动特性，旨在为工程师和研究人员提供一套系统、深入的理论基础和实用的分析工具。全书内容紧密围绕现代机械设计中对可靠性、效率和先进控制的严苛要求展开，深入探讨了从基础理论推导到复杂多体系统仿真的全过程。 --- 第一部分：基础理论与建模方法 第一章：刚体动力学基础与坐标系选择 本章首先回顾了牛顿-欧拉方程在工程力学中的应用基础，详细阐述了惯性坐标系、体坐标系以及变换矩阵的构建与应用。重点分析了欧拉角、罗德里格斯公式以及四元数在描述空间姿态变化时的优劣性及数值稳定性。引入了更适合复杂系统描述的广义坐标系概念，为后续的拉格朗日方程建立奠定数学基础。 第二章：约束系统的分析与拉格朗日方程 本章是系统动力学分析的核心。详细介绍了理想约束与非理想约束的分类及数学描述。重点推导和应用了基于拉格朗日量（Lagrangian）的运动微分方程建立方法，这对于处理包含大量关节和复杂几何结构的机械系统至关重要。同时，引入了基于哈密顿原理的变分方法，展示其在系统能量守恒分析中的优势。对引入广义力的处理进行了详尽的数学论述。 第三章：含间隙、摩擦与柔性的建模 现代机械系统往往难以理想化为刚体。本章针对实际工程中的非理想因素进行了深入探讨。 1. 摩擦建模： 细致区分了库仑摩擦、静摩擦与动摩擦的特性，引入了基于黏滞和粘弹性的摩擦模型，并讨论了摩擦力在数值仿真中的平滑处理技术。 2. 间隙与冲击： 分析了机械连接处间隙对系统动力学行为的突变影响，特别是对系统稳定性和噪声的贡献，并提供了检测和补偿间隙的方法。 3. 柔性体动力学： 介绍了模态分析理论，包括特征值问题、主坐标的提取，以及如何将柔性体的变形引入到整体系统动力学方程中（例如，利用浮动坐标法或先进的混合法）。 --- 第二部分：多体系统动力学仿真与求解 第四章：多体系统（MBS）的建模范式 本章系统介绍了当前主流的多体系统建模方法。对比分析了基于微分代数方程（DAE）的系统建模方法（如关节驱动法）与基于系统的矩阵方程法（如系统方程法）。重点介绍了基于图论的系统连接矩阵的构建，该方法在处理大规模、高度联接的复杂机械系统时具有高效性。 第五章：数值积分与稳定性分析 动力学方程的求解高度依赖于数值方法。本章详述了常微分方程（ODE）求解算法在动力学中的应用，包括显式欧拉法、龙格-库塔（Runge-Kutta）法。针对多体系统固有的约束方程（DAE），重点分析了隐式积分方法（如广义$alpha$法、HHT法）的收敛性、稳定性和精度，并探讨了约束方程的稳定化技术（如巴赫曼-科佩勒修正法）。 第六章：高级仿真技术与后处理 本章侧重于仿真结果的有效性和效率提升。介绍了模态叠加法在预测系统响应中的应用，特别是在处理高频振动和瞬态响应时的计算优势。同时，讨论了 Monte Carlo 模拟在评估设计参数不确定性对系统性能影响中的应用。后处理部分着重于数据降维、特征提取以及关键性能指标（KPIs）的可视化技术。 --- 第三部分：动态响应与优化设计 第七章：系统振动特性分析 本章深入探讨了机械系统的固有特性。详细阐述了线性系统的自由振动和强迫振动分析，包括正交性原理和模态坐标变换。针对非线性系统，介绍了何夫曼（Hopf）分岔理论在预测系统失稳点方面的应用，并讨论了阻尼对系统响应的复杂影响，特别是阻尼矩阵的结构对特征值的影响。 第八章：随机动力学与疲劳寿命预测 现代载荷通常具有随机性。本章将随机过程理论引入机械系统分析。介绍了功率谱密度（PSD）的确定与应用，利用随机振动理论计算结构应力响应的方差。进一步，结合 Miner 准则和 S-N 曲线，推导了基于随机载荷的结构疲劳损伤累积模型，为提高设备长期服役的可靠性提供了定量依据。 第九章：控制系统与动力学耦合优化 本章将动力学分析结果与主动控制策略相结合。分析了线性二次调节器（LQR）和鲁棒控制（H$infty$）在抑制结构振动方面的应用。重点讨论了控制器的参数（如刚度和阻尼系数）如何反作用于系统的动力学模型，并展示了如何通过优化算法（如遗传算法或粒子群优化）在满足性能约束下，确定最优的结构刚度分布和控制器增益。 第十章：先进应用案例分析 本章通过具体的工程实例，展示了上述理论和方法的综合应用： 1. 高速旋转机械的临界转速分析与避障： 利用柔性体动力学和非线性振动理论，预测并规避转子的临界转速区域。 2. 往复式机械的平稳性设计： 通过反向动力学和运动学逆解，设计反平衡质量，以最小化地面反作用力矩。 3. 航天器对接机构的冲击缓冲设计： 采用接触碰撞模型和高精度数值积分，优化缓冲器的行程和阻尼特性，确保对接过程中的载荷峰值低于结构允许极限。 --- 本书面向对象： 机械工程、航空航天工程、车辆工程、自动化等相关专业的高年级本科生、研究生、工程研究人员及资深设计工程师。本书假设读者具备扎实的微积分、线性代数和基础固体力学知识。通过系统学习，读者将能够独立建立复杂机械系统的动力学模型，精确预测其动态行为，并进行基于性能导向的优化设计。

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这本书的叙述风格，与其说是一本教科书，不如说更像是一场深入浅出的智力探险。我特别欣赏作者在处理复杂概念时所展现出的那种游刃有余的叙事技巧。比如，它探讨到“认知负荷”这个核心概念时，并没有直接抛出晦涩的公式，而是通过一系列精妙的比喻和生活化的场景，比如一个人在嘈杂环境中尝试记住一串电话号码的困难，来构建读者的直观感受。接着，它才逐步引入信息处理模型、工作记忆的容量限制等理论基础。这种“先感性认识，后理性剖析”的结构，极大地降低了学习门槛，让即便是初次接触系统工程学的读者也能轻松跟上思路。更难得的是，作者对历史脉络的梳理非常到位，它没有孤立地介绍现代工具，而是追溯了人因研究是如何从二战时期的军事需求中萌芽，如何逐步渗透到工业自动化、再到如今的数字化产品设计中。这种历史的纵深感，让读者能更深刻地理解“人机交互”的演进并非一蹴而就，而是无数次失败和教训积累的结晶。读起来，节奏张弛有度，既有严谨的理论支撑，又不乏引人入胜的故事性，让人欲罢不能。

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这本书对于“系统”二字的解读，可以说是达到了一个令人耳目一新的高度。我原以为“人因工程”就是关于键盘和鼠标的操作优化，但这本书将视野拓展到了一个更宏大、更复杂的系统层面——工作环境、组织文化乃至政策法规，都被纳入了考量的范畴。它清晰地阐述了，一个再完美的人机界面，如果置于一个充满压力、沟通不畅、流程混乱的工作系统中，其效能提升也会大打折扣。书中对“失误链”的分析尤其让我印象深刻，它揭示了事故往往不是单一的“人为错误”造成的，而是一系列设计缺陷、管理疏漏和环境压力共同作用的结果。这种“把错误归咎于系统，而不是个人”的视角，需要极大的勇气和深厚的专业积累才能做到。它迫使我重新思考我们工作场所中那些看似无法避免的低效和风险，不是去指责同事的粗心，而是去探究流程本身的脆弱性。这种系统性的思维转变，对于任何从事管理、流程改进或安全监督工作的人来说，都是一次醍醐灌顶的认知重塑。它提供的不是修补工具，而是一套全新的诊断框架。

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我必须承认，这本书的内容深度是相当可观的，它绝非那种浮光掠影的畅销书，而是具有扎实的学术底蕴。尤其是涉及生理学和感知心理学的章节，处理得非常专业和细致。比如，关于视觉感知中“阈值”和“适应性”的讨论，作者引用了大量的实验数据和数学模型，详细剖析了光照强度、对比度对目标识别速度的影响。对我来说，理解这些量化的指标比单纯记忆设计原则更有价值，因为它提供了一个可以量化评估设计好坏的标尺。当然，这部分内容的阅读门槛相对较高，需要读者具备一定的耐心去消化那些专业术语和图表。但付出这些努力是值得的，因为一旦掌握了这些基础科学原理，你就能穿透那些花哨的设计表象，直达设计有效性的核心。这本书成功地架起了一座桥梁，连接了纯粹的科学研究与实际工程应用，让那些原本只存在于实验室中的严谨结论，变成了可以指导我们日常实践的宝贵财富。它要求读者投入精力，但也以深度的知识回报了这份投入。

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翻开这本名为《人因工程》的书，我最先被吸引的是它那份对细节的极致关注。作者仿佛是一位拿着放大镜的侦探，将我们日常生活中那些习以为常却又充满隐患的“小事”一一剥开来审视。比如，关于界面设计的章节，简直就是一本活生生的“防呆手册”。我以前总觉得，一个按钮放哪里，一个菜单怎么排列，不过是程序员或设计师的个人喜好，但这本书让我彻底明白了，每一个像素、每一个颜色、甚至每一个动效，都牵动着用户的认知负荷和操作效率。它不是那种空泛地谈论“用户体验”的流行词汇，而是深入到心理学和生理学的底层逻辑，解释了为什么某些设计会让人感到困惑、沮丧，甚至出错。书里用大量的案例，比如航空仪表盘的布局演变、医疗设备的操作流程优化，展示了“以人为中心”的设计理念是如何从理论走向实践，并最终拯救了无数次潜在的灾难。读完这部分，我感觉自己对周围的一切都多了一层警惕和审视的目光，甚至连我家里那个老旧的电饭煲按键设计，都能被我用书里的原理分析出好几个改进点。这种从宏观理念到微观操作的全景式扫描，让这本书的实用价值远超我的预期，它真正做到了将“科学”与“日常”无缝连接。

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这本书的排版和图示设计，本身就是对“人因工程”理念的一次绝佳实践。我注意到，书中的信息密度很高，但通过巧妙的版面布局，阅读体验却出奇地流畅。大量的流程图、概念模型和对比矩阵被清晰地组织在各个小节中，它们不是简单的装饰，而是对文字描述的有力补充和结构化呈现。例如，当作者解释不同类型的反馈机制（即时反馈、延迟反馈）时，他不是用一大段文字来描述，而是用一个简洁的二分图将各种情境直观地展现出来，极大地增强了信息的即时可理解性。这种对视觉信息处理优势的充分利用，体现了作者对读者认知负荷的尊重。对于我这种习惯于通过视觉化方式来梳理复杂知识结构的人来说，这简直是福音。全书的逻辑流像一条精心铺设的轨道，引导着读者的思维，确保在处理大量信息时，不会迷失方向。这本书的物理呈现，可以说是对其中所倡导的优秀设计原则最生动、最无声的证明。

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