具体描述
好的，这是一本关于高级应用物理与工程建模的图书简介，完全不涉及离散数学内容。 --- 《跨尺度现象的数值仿真与优化设计：从宏观结构到量子效应的统一框架》 作者： 艾伦·K·维斯特伍德 (Alan K. Westwood) ISBN： 978-1-987654-32-1 出版社： 普罗米修斯工程技术出版社 --- 图书简介 在二十一世纪的工程与科学前沿，我们面临的核心挑战是如何精确、高效地模拟和预测那些跨越多个尺度（从纳米结构到大型系统）的复杂物理现象。传统的建模方法往往在特定尺度表现出色，却难以在不同尺度间实现无缝集成和参数传递。本书《跨尺度现象的数值仿真与优化设计：从宏观结构到量子效应的统一框架》正是在此背景下应运而生，它致力于构建一个统一的、基于高精度数值分析的计算框架，以应对现代材料科学、流体力学、热力学以及先进制造领域的严峻考验。 本书并非对某一特定物理定律的深入探讨，而是聚焦于如何将这些定律转化为可操作、可验证、高鲁棒性的计算机模型，并通过优化算法实现设计空间的探索与收敛。 全书内容紧密围绕计算方法论、数值稳定性、以及工程应用的高效实现展开。 第一部分：基础数值方法与高性能计算架构（第1-5章） 本部分奠定了全书的计算基石，侧重于那些在连续介质力学和场论中不可或缺的数值技术，以及如何利用现代计算硬件来加速求解过程。 第1章：偏微分方程的有限元与有限差分方法回顾与扩展 本章深入探讨了描述连续物理系统的基础偏微分方程（如 Navier-Stokes 方程、热传导方程、波动方程）的数值离散化技术。重点讨论了处理非线性、非定常问题的稳定化技术，特别是针对对流项的迎风格式（Upwinding Schemes）和混合有限元（Mixed FEM）在压力-速度耦合问题中的应用。我们详细分析了标准Galerkin方法在几何畸变网格上的性能衰减，并提出了基于高阶形函数的稳定化策略。 第2章：谱方法与网格自适应技术 超越传统多项式插值，本章引入了傅里叶谱方法和Chebyshev谱方法，特别是在处理具有周期性边界条件或光滑解的流体力学问题时的巨大优势。随后，我们详细论述了网格自适应有限元（Adaptive Mesh Refinement, AMR）的实现机制，包括基于残差估计和目标函数梯度的局部误差判据，确保计算资源集中在物理意义最显著的区域。 第3章：大规模线性系统的求解与预处理 求解大型仿真模型最终归结为求解巨型稀疏线性方程组。本章专注于迭代求解器（如 GMRES、BiCGSTAB）的性能分析，并详细阐述了先进的代数多重网格法（Algebraic Multigrid, AMG）作为高效预处理器的构建流程，特别是在处理各向异性材料和网格粗化/细化界面时的挑战与对策。 第4章：高性能计算与并行化策略 现代仿真任务无法脱离集群计算。本章探讨了如何将偏微分方程求解器有效地映射到多核CPU和GPU架构上。内容涵盖了基于域分解（Domain Decomposition）的并行策略（如 Schwarz 方法），以及如何在MPI和OpenMP/CUDA框架下实现高效的数据通信和负载均衡，特别是针对隐式时间步进方案的并行化优化。 第5章：不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ） 现实世界的输入参数（如材料特性、环境载荷）总带有不确定性。本章介绍如何将蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟与代理模型（Surrogate Models，如高斯过程回归）相结合，以量化模型输出的不确定性范围，并探讨概率加权有限元（PWFEM）在处理随机偏微分方程（SPDEs）时的应用。 第二部分：多尺度与多物理场耦合建模（第6-10章） 此部分是本书的核心，关注于如何连接不同尺度的物理行为，并实现不同物理场之间的能量和动量传递。 第6章：从原子尺度到连续介质的桥接 本章探讨了如何利用分子动力学（MD）或第一性原理计算（DFT）的结果，提炼出可用于宏观连续介质模型的本构关系。我们详细分析了耗散粒子动力学（DPD）和粗粒化分子动力学（Coarse-Grained MD）的参数标定方法，确保微观机制能准确地反映在介观尺度的模拟中。 第7章：热-固-流耦合分析 本章专注于处理相互作用的物理场。首先介绍了热力学耦合：流体对固体结构的热应力影响（Thermo-Mechanical Coupling）。其次，深入研究了相变过程（如凝固/熔化）的数值处理，采用相场模型（Phase-Field Models）来避免自由界面追踪的困难，并探讨了多孔介质中流体与固体骨架的交互作用。 第8章：电磁场与结构响应的相互作用 对于先进电子设备和传感器而言，电磁场与机械变形的耦合至关重要。本章重点讲解了压电效应、磁弹性效应（Magnetoelasticity）的有限元公式化。内容包括如何处理电磁场边界条件下的奇异性问题，以及在处理高频电磁感应加热（Induction Heating）时，如何精确计算涡流引起的洛伦兹力。 第9章：损伤、断裂与材料退化模拟 本章处理材料在极限载荷下的行为。我们详细介绍了基于内聚力模型（Cohesive Zone Models, CZM）的界面断裂模拟，以及如何将该模型与传统的基于应力积分的损伤模型（如 Continuum Damage Mechanics, CDM）结合。特别关注了使用扩展有限元法（XFEM）来模拟裂纹萌生和非预设路径扩展的优势。 第10章：计算流体力学（CFD）中的湍流模型与LES/DNS 针对高雷诺数流动的模拟，本章对比分析了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型的局限性，并深入剖析了大涡流模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的网格需求和计算成本。重点讨论了亚网格尺度（Subgrid Scale, SGS）模型的选择及其对湍流能量级串的影响。 第三部分：数值模型驱动的优化与逆向工程（第11-15章） 最后一部分将视角转向利用这些高保真仿真模型来进行主动的设计、控制与反向问题的求解。 第11章：基于梯度的优化算法 本章聚焦于拓扑优化（Topology Optimization）和形状优化（Shape Optimization）。详细阐述了伴随法（Adjoint Method）在计算大规模设计敏感度方面的效率优势，如何将结构或流体目标函数（如刚度、阻力）的梯度精确地回传给设计变量。 第12章：无梯度优化与全局搜索策略 当设计空间高度非凸或目标函数不可导时（例如，涉及离散决策变量），梯度方法失效。本章介绍了元启发式算法，如粒子群优化（PSO）和遗传算法（GA），并讨论了如何将其与有限元模型集成，以处理复杂的制造约束。 第13章：逆向问题：参数识别与模型校准 在许多工程场景中，我们知道观测结果，但需要确定输入参数。本章探讨了如何将优化框架应用于逆向问题，特别是使用卡尔曼滤波（Kalman Filtering）和贝叶斯反演方法来实时校准和更新运行中的仿真模型参数，以最小化预测误差。 第14章：实时仿真与数字孪生构建 为了实现工业物联网（IIoT）环境下的实时监控和预测性维护，仿真模型必须快速运行。本章介绍了模型降阶（Model Order Reduction, MOR）技术，特别是基于本征正交分解（POD）和平衡截断方法，以创建能够实时反馈的“数字孪生”模型。 第15章：面向增材制造（AM）的仿真与控制 增材制造引入了全新的物理挑战，如快速冷却、残余应力累积和几何精度控制。本章分析了如何利用计算模型来预测和补偿激光熔化过程中的热梯度，并通过优化扫描策略（Scan Strategy Optimization）来控制最终部件的内部应力分布。 --- 本书面向对象： 本书适合于高级研究生、从事高性能计算、计算物理、计算工程、材料科学以及航空航天、能源、生物医学工程等领域的研究人员和高级工程师。阅读本书需要具备扎实的经典力学和场论基础，以及对数值分析有深入的理解。本书的价值在于提供了一套工具箱和思维框架，用以构建、求解和优化横跨物理学和工程学界限的复杂计算模型。
作者简介
目录信息
读后感
评分
评分
评分
评分
评分
用户评价
评分
评分
评分
评分
评分
相关图书
本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息，本站不存储任何数据与内容，任何内容与数据均与本站无关，如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度，google,bing,sogou 等
© 2026 book.wenda123.org All Rights Reserved. 图书目录大全 版权所有