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出版者:中国石油大学出版社有限公司

作者:

出品人:

页数:176

译者:

出版时间:2007-6

价格:16.00元

装帧:

isbn号码:9787563607310

丛书系列:

图书标签:

• 材料力学
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• 固体力学
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• 力学
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• 应力
• 变形

现代结构设计与优化理论 书籍信息： 书名： 现代结构设计与优化理论 作者： （此处为虚构作者名，例如：张伟、李明、王芳） 出版社： 工业科技出版社 出版年份： 2023年 内容简介： 本书深入探讨了当代土木、机械及航空航天工程领域中，结构设计所面临的复杂挑战与前沿解决方案。它并非停留在传统强度和刚度校核的层面，而是将重点放在了如何利用先进的数学工具和计算方法，实现结构性能的最大化与资源消耗的最小化。全书系统地构建了一个从理论基础到实际应用的完整知识体系，旨在培养工程师在面对高性能、轻量化和多目标优化需求时的决策能力。 第一部分：结构分析的深化与前沿方法 本部分着重于拓宽读者对结构响应理解的深度，超越经典梁、板、壳理论的局限，引入了适用于复杂载荷和非均匀材料体系的分析技术。 第一章：高级材料本构关系与损伤力学 本章详细阐述了各向异性材料（如复合材料、先进合金）在多轴应力状态下的本构模型。重点讨论了超弹性、粘塑性行为的描述，特别是对疲劳损伤累积的概率模型和断裂韧性的评估方法。引入了内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）在模拟裂纹萌生与扩展过程中的应用，这对于评估焊接结构和层合板的界面性能至关重要。 第二章：有限元方法的理论基础与高级应用 本书并未简单介绍有限元软件的操作，而是深入剖析了有限元方法的数学基础，包括形函数选择、单元刚度矩阵的推导（如LBB条件在稳定流动性分析中的应用）。高阶单元（如$mathrm{p}$-版本有限元）的引入，使得求解高精度应力集中问题成为可能。此外，本章还专题讨论了非线性有限元分析，包括大变形几何非线性、材料本构非线性及接触非线性（如滑动、摩擦接触）的求解算法，如牛顿-拉夫森法及其修正方案的收敛性控制。 第三章：动力学响应与随机振动理论 针对地震、风荷载或高速运动中结构可能遭遇的瞬态和随机激励，本章提供了系统的动力学分析框架。首先回顾了模态分析、自由振动和强迫振动的求解流程。随后，重点引入随机振动理论，利用功率谱密度函数（PSD）描述随机输入，并采用频域分析方法（如模态叠加法）计算结构的均方根响应，这对于可靠性评估和隔振设计是不可或缺的工具。 第二部分：结构性能优化理论与算法 本部分是本书的核心，它将结构设计从基于经验和规范的“满足性”设计提升到基于性能的“最优性”设计层面。 第四章：优化设计的数学基础与经典方法 本章建立了结构优化问题的数学描述框架：目标函数、设计变量和约束条件的定义。详细介绍了梯度型优化方法，如最速下降法、共轭梯度法（Fletcher-Reeves, Polak-Ribière）和牛顿法及其拟牛顿近似（DFP, BFGS）。这些方法的收敛速度和计算效率的权衡是本章讨论的重点。对于包含大量离散变量或不可微函数的非光滑问题，本章也介绍了次梯度法的基础概念。 第五章：拓扑优化理论与实现 拓扑优化被视为结构设计流程中最具革命性的工具。本章系统地介绍了固体各向同性材料去除法 (SIMP) 和水平集方法（Level Set Method）。SIMP方法中，材料密度通过惩罚函数与应力水平关联，其对棋盘格状伪影（Checkerboard Patterns）的处理和过滤技术（如密度过滤、梯度阈值过滤）被详细阐述。本章还探讨了如何将拓扑优化结果转化为可制造的几何形状。 第六章：多目标优化与可靠性分析 现代工程往往需要在强度、刚度、重量、成本甚至制造复杂性之间进行权衡。本章引入了帕累托最优概念，讲解了寻找非支配解集的算法，如加权和法和$varepsilon$-约束法。此外，针对输入参数（如材料强度、载荷大小）的不确定性，本章阐述了结构可靠性理论。从一阶可靠度方法（FORM）到二阶可靠度方法（SORM），并结合蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation），为结构的安全度量提供了量化标准。 第三部分：先进制造与结构集成优化 本部分聚焦于优化结果的可制造性以及将优化方法应用于新兴工程领域。 第七章：增材制造（3D打印）对设计的影响 随着增材制造技术的成熟，结构设计不再受限于传统减材制造的限制。本章讨论了如何利用3D打印带来的设计自由度（如晶格结构、点阵结构）来设计超轻高性能部件。重点关注了各向异性增材制造的优化，即如何通过控制打印路径和填充角度，使部件在特定方向上达到最佳性能，并分析了层间热应力和残余应力对最终结构性能的影响。 第八章：载荷路径优化与主动控制结构 本章探讨了超越被动结构设计的思路。载荷路径优化旨在通过重新布置内部承力构件的几何形状，使载荷能够沿着预期的、最高效的路径传递，从而最大限度地减小冗余承载。同时，本章引入了主动/智能结构的概念，探讨了如何将传感器、执行器（如压电陶瓷、磁流变阻尼器）集成到优化框架中，实现对结构动态响应的实时调控和减振降噪。 第九章：工程案例分析与软件工具集成 本书最后通过几个复杂的工程实例，展示了上述理论的实际应用。案例包括： 1. 大型桥梁风振控制下的拓扑优化设计。 2. 航空发动机叶片在高温疲劳条件下的多目标优化。 3. 机器人关节轻量化设计中的刚度与振动特性协同优化。 本章强调了如何将理论模型转化为实际可用的商业软件（如ABAQUS, ANSYS, TOSCA等）中的定制脚本和参数化模型，实现高效的项目迭代。 总结： 《现代结构设计与优化理论》旨在为高级工程师和研究生提供一个全面、深入且面向未来的结构设计方法论。它要求读者具备扎实的力学基础，并着力培养读者运用先进计算工具解决实际工程优化问题的能力，是迈向高性能工程设计领域的关键参考书。

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