結構優化導論（翻譯版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

Peter W.Christensen，Anders Klarbring 著，劉書田 譯

圖書標籤:

• 結構優化
• 優化設計
• 有限元
• 數值方法
• 工程力學
• 機械工程
• 航空航天
• 計算力學
• 結構分析
• 優化算法

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111563839

版次：1

商品編碼：12177185

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 時代教育·國外高校優秀教材精選

開本：16開

齣版時間：2017-09-01

用紙：膠版紙

頁數：182

內容簡介

大限度地提高材料利用率，或者使結構在滿足承載的同時盡可能的輕量化，是機械和結構工程師的永恒追求。以前，隻有通過反復試驗纔能找到更理想的結構。但是，近二十年來，在優化理論基礎上發展起來的計算方法使尋求優結構的過程變得越來越自動化瞭。低成本高迴報的理想在這類計算方法的驅動下逐漸變為現實，結構優化也因此越來越多地應用於工業生産。

目錄

譯者序
作者序
前言
第1章引言
1.1基本思想
1.2設計過程
1.3結構優化問題的一般
1.4數學形式
1.5結構優化問題的三種
類型
第2章離散參數和分布參數
係統
2.1離散參數係統優化
實例
2.2受應力約束的二杆桁
架重量最小化
受應力約束和穩定性
約束的二杆桁架重
量最小化
2.3 受應力約束和位移約
束的二杆桁架重量最
小化
2.4 受應力約束和位移約
束的二段懸臂梁重量
最小化
2.5 受應力約束的三杆桁
架重量最小化
2.6 受剛度約束的三杆桁架重量最小化
2.7習題
第3章　凸規劃基礎
第４章　序列顯式凸近似
第５章　桁架剛度的尺寸優化
第６章　靈敏度分析
第７章　二維形狀優化
第８章　分布參數係統的最大剛度設計
第９章　分布參數係統的拓撲優化
部分習題答案
參考文獻
索引１７７

前言/序言

本書是在瑞典林雪平大學積纍的超過15年的學術報告和課程基礎上逐漸形成的，初步介紹結構優化的基本問題和求解方法，包括機械結構幾何優化的三類基本問題，即尺寸優化、形狀優化和拓撲優化。重點為離散的和（有限元）離散化的綫彈性結構優化問題的詳細數值實現方法。本書寫作力求通俗易懂：隻對基本定理進行數學證明，其他定理則不加證明地直接引用；但是對於定理的具體應用方法，我們均進行瞭詳細介紹。考慮到本書的重點是幾何設計問題，其中的設計變量連續變化且數量通常很大，因此主要采用一階方法求解。這些方法基於靈敏度分析，即建立在求解目標函數和約束函數的一階導數的基礎上。我們重點介紹經典一階方法中的CONLIN和MMA，這兩種方法均基於顯式的凸可分離近似技術。需要注意的是，結構優化中廣泛采用的經典方法———優化準則法也屬於一階方法。此外，零階算法（如響應麵法、代理模型方法、神經網絡方法、基因算法等）並不適用於本書討論的優化問題，故未予以介紹。書中的例題均采用程序進行瞭求解實現，其中一些程序可從本書的主頁下載。這些程序也可用來求解各章末所附的大量習題。
根據我們的經驗，本書主要麵嚮具有有限元方法基礎知識的固體結構力學專業的學生，也適用於具有相應數學基礎知識的其他讀者。瞭解基本優化理論和凸規劃方法有助於增進讀者對本書的理解，但沒有這些基礎也無妨。
本書前三章為入門的基礎部分。第1章介紹瞭數學設計優化的基本思想及其在産品設計這一寬泛領域的地位，同時定義瞭結構優化的基本概念及術語。第2章研究瞭一係列小規模優化問題，這些算例一方麵可以使我們熟悉結構優化中這類常見的問題，另一方麵也可以作為後續章節所講方法的範例題目。第3章綜閤敘述瞭凸分析的基本概念，並從結構優化的角度舉例說明。第4章介紹瞭序列顯式凸近似的基本思想，並詳細介紹瞭CONLIN和MMA方法。從算法的角度，這一章是本書的核心內容。第5章用MMA方法求解桁架結構的剛度優化問題。這是結構優化的一個經典範例，也是我們深入討論的內容。第6章討論有限元離散結構的靈敏度分析方法。第7章介紹形狀優化，並在最後結閤二維形狀錶徵方法（如貝塞爾樣條和B樣條）介紹瞭形狀改變的靈敏度分析。第8章迴顧瞭變分法的一些經典結果，並推導瞭分布參數係統剛度優化問題的最優條件。本章本質上是剛度拓撲優化問題方法的準備。在第9章，這一問題經過簡單的擴展並進行離散化後，為解決連續體結構拓撲優化問題開啓瞭一扇大門。我們把優化準則法作為一般顯式凸近似方法的一個特例進行瞭推導，並討論瞭問題的適定性和不同類型的規則化方法。
作為一本入門的初級教材，我們並沒有麵麵俱到地包含全部文獻，也沒有介紹結構優化的發展曆史，對此感興趣的讀者可參考現有的專著，如Haftka和Gürdal［18］、Kirsch［22］以及Bends�Je和Sigmund［4］的相關著作。
如前所述，本書植根於林雪平大學的一係列講座，其中第一場講座是本書的第二作者在1992年所做的。其後，由JoakimPetersson負責並規劃基本內容的一門獨立的結構優化課程在2000年得以成形。完成兩輪授課之後，不幸的事情發生瞭，Joakim在2002年9月非常突然地離世瞭［3］。於是本書作者接手並負責瞭這門課程，開始按照非常接近Joakim講義內容的方式講授這門課程。令人欣慰的是，從那時起我們一直在講授這門課程並逐漸寫成瞭本書。根據我們的記憶和理解，本書幾乎完全契閤瞭Joakim的思想和風格。
特彆感謝BoTorstenfelt和ThomasBorrvall為本書提供瞭大量數值解答。
Torstenfelt的傻瓜式有限元程序TRINITAS可從本書的主頁下載，並可用於求解形狀和拓撲優化兩類計算機上機習題。此外，主頁上還有Borrvall開發的一個用於拓撲優化的Java應用程序可供下載。誠摯感謝他們對使用其程序的許可。
彼得W�笨死鎪閨�森（PeterW．Christensen）安德斯·剋拉布林（AndersKlarbring）瑞典林雪平大學2008年7月

結構優化導論（翻譯版）：一本探索如何更智能、更經濟地構建世界的指南 想象一下，我們生活在一個日益復雜和需求不斷增長的世界。從我們賴以棲息的摩天大樓，到穿梭於城市間的汽車，再到承載我們通訊的通訊塔，這些無一不依賴於精妙絕倫的結構設計。然而，在追求結構的堅固、穩定和功能性的同時，我們也麵臨著資源有限、成本壓力以及環境可持續性的嚴峻挑戰。如何纔能在滿足甚至超越性能要求的前提下，最大限度地降低材料消耗、減小製造成本、縮短設計周期，甚至提升結構的輕量化水平？這正是“結構優化”這門學科所要解決的核心問題。 《結構優化導論（翻譯版）》並非一本簡單的技術手冊，它更像是一扇通往無限可能的設計殿堂的鑰匙，為我們揭示瞭如何通過係統性的方法，突破傳統設計的思維定勢，實現真正意義上的“智慧設計”。這本書就像一位經驗豐富的嚮導，帶領讀者一步步深入結構優化的核心原理，理解其背後的數學模型、算法工具以及在各個工程領域中的實際應用。它旨在培養一種全新的設計觀，一種能夠平衡多重目標、應對復雜約束、並最終創造齣更具價值和可持續性的工程解決方案的思維模式。 為何結構優化如此重要？ 在過去，結構的可靠性往往通過冗餘設計或經驗纍積來保障。工程師們依靠長期的實踐經驗和保守的安全係數來確保結構的安全性。然而，這種方法往往導緻材料的過度使用，結構笨重，成本高昂，並且在很多情況下，這種冗餘並沒有帶來預期的性能提升。隨著計算機技術的飛速發展和計算能力的指數級增長，工程師們獲得瞭前所未有的強大工具，能夠對復雜的結構行為進行精確的模擬和分析。結構優化正是應運而生，它將這些模擬分析能力與數學優化理論相結閤，以一種科學、係統的方式來尋找最優的設計方案。 從宏觀的城市規劃到微觀的零部件設計，結構優化的身影無處不在。在航空航天領域，每減輕一公斤的重量都意味著燃油效率的提升和載荷能力的增加。因此，通過輕量化設計，可以顯著降低運營成本並減少對環境的影響。在汽車工業，優化設計不僅關乎車輛的安全性，還直接影響到燃油經濟性和操控性能。在土木工程領域，結構優化可以幫助我們建造齣更安全、更經濟、更美觀的橋梁、建築和基礎設施。甚至在生物工程領域，我們也開始探索利用結構優化的思想來設計更有效的生物支架或醫療器械。 《結構優化導論（翻譯版）》為你打開的知識大門： 本書並非僅僅羅列算法或公式，它更側重於構建讀者對結構優化整體框架的理解。它會從最基礎的概念講起，循序漸進地引導讀者掌握核心的知識體係。 問題的定義與數學建模： 任何優化過程的第一步都是清晰地定義問題。本書會教導讀者如何將實際的工程問題轉化為數學模型，包括確定設計變量（需要改變的參數，如材料厚度、截麵形狀等）、目標函數（需要優化的指標，如最小化重量、最小化變形、最大化剛度等）以及約束條件（需要滿足的限製，如應力限製、位移限製、製造工藝限製等）。理解這些基本要素，是進行任何有效優化的基石。 優化算法的多樣性與選擇： 結構優化是一個龐大的領域，存在著各種各樣的優化算法，每種算法都有其獨特的優勢和適用場景。本書會介紹一些經典的優化方法，例如： 梯度優化方法： 這類方法利用目標函數和約束條件的梯度信息來指導搜索方嚮，如最速下降法、共軛梯度法等。它們在處理連續變量問題時效率較高。 啓發式算法： 這類算法模仿自然界中的生物進化、群體行為等現象，通過概率性的搜索策略來尋找最優解，例如遺傳算法、粒子群優化算法、模擬退火算法等。它們在處理離散變量、多模態目標函數以及避免陷入局部最優方麵具有優勢。 確定性算法： 如綫性規劃、二次規劃等，在滿足特定條件時，可以保證找到全局最優解。 拓撲優化： 這是一種非常強大的結構優化技術，它不局限於改變現有設計的參數，而是能夠在預設的計算域內，根據性能要求，自動生成最優的材料分布和結構形狀。本書會深入探討拓撲優化的基本原理、常用的算法（如SIMP法、ESO法等）以及其在概念設計階段的巨大潛力。 理解不同算法的原理、優缺點以及適用條件，是選擇閤適工具解決工程問題的關鍵。本書將幫助讀者建立起對這些算法的直觀認識，而不僅僅是生硬的數學推導。 有限元分析（FEA）與優化的結閤： 結構優化的過程離不開對結構性能的精確評估。有限元分析是現代工程中評估結構力學行為的基石。本書會講解如何將結構優化算法與有限元分析軟件無縫集成，形成一個強大的優化流程。例如，優化算法會提齣一組設計參數，然後將這些參數傳遞給FEA軟件進行結構分析，得到結構響應（如應力、位移、固有頻率等），再將這些響應反饋給優化算法，算法根據這些信息調整設計參數，如此循環往復，直至達到最優解。 多目標優化與魯棒優化： 實際工程問題往往不是隻有一個優化目標，而是需要同時考慮多個相互衝突的目標，例如，在減輕重量的同時，還需要保證足夠的剛度和強度。本書會探討多目標優化的方法，如Pareto最優集的概念，以及如何找到一組權衡最優的解。此外，現實世界中的載荷、材料屬性等都存在不確定性，魯棒優化則緻力於設計齣在各種不確定工況下都能錶現良好的結構，提高結構的可靠性。 實際應用案例與行業洞察： 理論知識的學習終究要迴歸到實踐。本書會通過豐富的實際工程案例，展示結構優化在各個行業的應用成果。從航空發動機葉片的輕量化，到汽車底盤的強度優化，再到橋梁結構的材料節省，這些案例不僅能加深讀者對理論的理解，更能激發讀者在自己領域中應用結構優化的靈感。同時，書中也會分享行業內的最新發展趨勢和前沿研究方嚮，幫助讀者把握學科發展的脈搏。 軟件工具與實現： 結構優化並非僅僅停留在紙麵上的理論，它需要藉助強大的軟件工具來實現。本書會介紹一些常用的結構優化軟件平颱以及與它們集成的常用方法，例如，如何利用專業的有限元軟件（如ANSYS、Abaqus、NASTRAN等）結閤優化模塊，或者通過二次開發，將自定義的優化算法集成到分析流程中。 閱讀《結構優化導論（翻譯版）》的收獲： 通過閱讀這本書，你將能夠： 掌握結構優化的基本原理和核心算法。 理解如何將工程問題轉化為可優化的數學模型。 學會選擇和應用閤適的優化算法來解決實際工程問題。 深入理解結構優化與有限元分析的協同工作流程。 認識到結構優化在提高工程效益、降低成本、實現可持續發展中的關鍵作用。 培養一種更具創新性和前瞻性的工程設計思維。 為你的職業生涯在工程設計、研發等領域開闢更廣闊的道路。 無論你是工程專業的學生，還是經驗豐富的工程師，抑或是對如何用更聰明的方式建造世界充滿好奇的探索者，《結構優化導論（翻譯版）》都將是一本不可多得的寶貴財富。它提供的不僅僅是知識，更是一種解決問題的能力，一種創造更美好、更高效、更可持續未來的力量。這本書將賦能你，用更少的資源，創造齣更卓越的結構，推動工程科學邁嚮新的高度。

評分☆☆☆☆☆

手捧這本書，我仿佛置身於一個精密計算的實驗室，空氣中彌漫著嚴謹的學術氛圍。雖然我對書中的數學公式和推導過程的細節可能無法完全掌握，但我卻被其中所展現的解決工程難題的智慧所吸引。它讓我看到瞭，通過對結構參數的精細調整，可以實現性能的顯著提升，這是一種將理論知識轉化為實際價值的典範。書中對於各種優化技術的比較，以及它們各自的優缺點分析，為我提供瞭一個廣闊的知識視野，讓我瞭解到瞭這個領域的多樣性和發展脈絡。

評分☆☆☆☆☆

這本書，一本厚重的著作，在書架上占據著一席之地，它的名字《結構優化導論（翻譯版）》本身就傳遞齣一種嚴謹與深邃。當它被我翻開時，首先映入眼簾的是那精心排版的文字，以及那些對於初學者來說可能稍顯晦澀的圖錶。我並非結構工程領域的專傢，但憑藉著對知識的渴望和對這個領域的好奇，我踏上瞭這段理論探索之旅。譯者的功勞不容忽視，他們將原著的精髓一絲不苟地傳遞過來，讓語言的障礙降到瞭最低，使我能夠專注於核心概念的理解。讀罷，我感受到一種智識上的拓展，仿佛打開瞭一扇通往更廣闊視野的大門。

評分☆☆☆☆☆

我一直對那些能夠將復雜概念梳理得清晰明瞭的書籍懷有敬意，而《結構優化導論（翻譯版）》無疑就是其中之一。雖然我不是直接的技術使用者，但書中對於優化問題的定義、求解流程以及評價標準的論述，都展現瞭一種高度的係統性和邏輯性。作者以一種循序漸進的方式，從基礎的理論鋪墊，到具體的案例分析，再到一些進階的探討，讓我得以逐步建立起對結構優化的整體認知。即便是那些對我而言陌生的專業術語，在上下文的襯托下，也逐漸變得可以理解，這得益於作者的匠心獨運和譯者的辛勤付齣。

評分☆☆☆☆☆

這是一本讓我深刻反思的著作，它所探討的“結構優化”這個主題，雖然我並非直接從事相關研究，但其蘊含的思維方式和解決問題的邏輯，卻深深地啓發瞭我。它讓我意識到，在任何領域，效率和效益的提升往往來自於對現有模式的審視和改進，以及對潛在最優解的不斷追求。書中對於不同優化算法的介紹，雖然我無法一一深入實踐，但其背後所遵循的數學原理和計算方法，為我提供瞭一個看待問題的新角度。我開始思考，如何將這種“優化”的理念，遷移到我日常工作和學習中的其他方麵，從而提升效率，實現更好的結果。

評分☆☆☆☆☆

閱讀《結構優化導論（翻譯版）》的過程，對我來說是一次充滿挑戰但收獲頗豐的學習經曆。我並非專業人士，因此在理解某些技術細節時，需要花費更多的時間和精力。然而，書中清晰的邏輯結構和豐富的例證，極大地幫助瞭我。它不僅僅是一本介紹技術的方法論，更是一本引導思考的書。通過對書中案例的分析，我開始理解，何為“最優”，以及如何從無數的可能性中找到那個最符閤要求的解決方案。這種學習過程，極大地拓展瞭我的思維邊界，讓我對科學研究的嚴謹性和創造性有瞭更深刻的認識。