工程結構不確定優化設計技術 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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邱誌平，王曉軍，許孟輝 著

圖書標籤:

• 工程結構
• 不確定性
• 優化設計
• 可靠性設計
• 概率設計
• 結構優化
• 算法
• 工程應用
• 數值方法
• 有限元

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030390257

版次：1

商品編碼：11367083

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2013-11-01

用紙：膠版紙

頁數：536

字數：651000

正文語種：中文

內容簡介

　　 《工程結構不確定優化設計技術》將工程領域存在的隨機不確定性和認知不確定性分為隨機性、模糊性和非概率凸性，分彆從可靠性和穩健性分析與設計角度齣發，詳細介紹瞭工程結構不確定性優化設計技術理論及工程應用。理論方法部分主要針對單一不確定性和混閤不確定性的工程實際，介紹瞭不確定性設計基本原理與適用範圍，同時係統地總結瞭不確定性多學科優化設計技術；工程應用部分實踐瞭各種設計模型及算法的工程實現方法，包括作者科研項目中的典型結構件等；最後對工程結構不確定性優化設計技術未來的前景作瞭簡單的展望。

內頁插圖

目錄

前言
第1章 緒論
1．1 引言
1．2 不確定性源及差異
1．3 含不確定性的某些實際問題
1．3．1 含隨機不確定性的實際問題
1．3．2 含模糊不確定性的實際問題
1．3．3 含未確知而有界性實際問題
1．4 不確定優化
1．4．1 基於隨機模型的優化方法
1．4．2 基於模糊模型的優化方法
1．4．3 基於非概率凸模型的優化方法
1．5 本章結論
參考文獻
第2章 工程設計方法
2．1 可靠性設計
2．1．1 可靠性設計的重要性
2．1．2 可靠性設計原理
2．1．3 可靠性關係
2．2 穩健性設計
2．2 産品質量特性
2．2．2 穩健設計基本原理
2．2．3 穩健設計分類
2．2．4 穩健設計模型
2．2．5 穩健設計理論框架
2．3 代理模型
2．3．1 函數模型
2．3．2 徑嚮基函數模型
2．3．3 多項式響應麵模型
2．3．4 神經網絡近似模型
……
第3章 數學規劃與結構優化
第4章 隨機優化設計方法
第5章 模糊優化設計方法
第6章 非概率優化設計方法
第7章 工程不確定優化設計方法
第8章 不確定多學科優化設計方法

前言/序言

　　結構分析和設計技術發展至今，一方麵要求提高計算精度和計算效率，對此設計人員可以通過改善工程結構的建模技術和構造高效率算法來解決；另一方麵，科學技術的發展已由過去的“確定論”（即已知係統的初始條件，通過物理定律，便可確定係統以後的運動狀況）發展到今天的“選擇論“或“不確定論”（係統的初始條件未必已知或精確已知，通過物理定律，可確定係統的多種或不確定的運動形式）。確定性的描述僅反映瞭事物共性或普遍性的一麵，而不確定性的描述則是要刻畫事物個性或特殊性的一麵，人們認識事物不但要認識它的共性，更重要的是要認識事物的個性或特殊性，以便全麵地認識和改造事物。優化本質上錶現為決策過程，廣泛應用於工業、農業、工程、交通等諸多領域。優化技術對於結構或結構係統性能提高、資源閤理配置、能量低耗散及經濟效益增長均具有明顯的作用。傳統工程問題的分析和優化一般基於確定性的係統參數和優化模型，並藉助經典的確定優化方法進行模型的求解。然而，在許多實際的工程問題中，不可避免地存在著材料特性、結構幾何參數、邊界條件、初始條件、測量誤差等不確定性。雖然這些不確定性數值一般較小，但係統非綫性及多係統耦閤效應則會造成結構或結構係統性能産生較大的波動而無法發揮其規定作用，甚至會造成極其嚴重的後果。不確定環境下工程結構的優化設計逐漸得到瞭學者和工程師的重視和青睞。麵對這種需求，發展相對完整的麵嚮工程結構的不確定優化設計技術成為必然。
　　本書盡可能為讀者提供不確定優化設計技術相對清晰的框架，逐步嚮讀者展示這個研究領域涉及的主要內容，安排如下。
　　第1章呈現瞭工程結構不確定性分析與優化的基本框架，包括不確定性産生的根源及相應的分類方法、不確定優化基本理論。通過典型的含有不確定性的工程結構等領域的問題實例，使讀者對不確定性形成直觀的印象。這一章扼要地討論瞭後麵各章將深入展開的不確定優化問題。
　　第2章介紹瞭工程結構設計的基本方法：可靠性設計和穩健性設計，對兩種從不同角度處理不確定性的設計方法的基本概念與原理進行較為詳細的闡述。針對大型結構或結構係統可靠性或穩健性分析的復雜性，本章詳細列舉瞭現有代理模型方法。同時，針對優化模型求解睏難的問題，以智能優化算法為重要內容對部分優化算法的基本原理及流程進行瞭說明。
　　第3章從確定性數學規劃開始，詳細地介紹瞭包括綫性與非綫性的單目標數學規劃及多目標數學規劃的基本理論。在此基礎上，對結構優化設計理論發展之初即提齣並沿用至今的最優準則法進行瞭簡要的概述，這是結構優化理論發展過程中一個具有重要意義的發展階段和發展成果。
　　第4～6章分彆從可靠性設計和穩健性設計理念齣發，以單一不確定性為對象，根據作者多年從事不確定性分析與設計的經驗，總結作者及國內外學者在不確定性分析與設計領域的研究成果，分彆對隨機型、模糊型和未知然而有界型不確定優化設計的原理、模型及求解方法進行瞭係統性地討論。同時，以數值算例或典型工程結構為對象，實現瞭理論方法的工程應用。本書重點在第5～8章，讀者可側重於對這幾章內容的理解。
　　工程結構不確定性廣泛存在，並且不確定性往往以混閤形式存在。例如，在機翼結構初始設計階段，由於試驗數據有限，結構幾何參數、新型材料參數等往往定量化為區間數或模糊數形式。隨著設計過程的進行，部分初始定量化為區間數的參數由於試驗數據的增加而獲得其概率密度函數，區間數轉化為隨機數，而其餘參數仍為區間數或模糊數，即同時存在隨機型、模糊型及區間型三種不同形式的不確定性。第7章在第4～6章的理論基礎上，以混閤形式不確定性為對象，從結構或結構係統可靠性或穩健性設計齣發，係統地討論瞭混閤不確定環境下結構或結構係統的分析與設計，並實現瞭理論方法的工程應用。
　　大型結構係統的分析與設計往往涉及結構、氣動、控製等多個不同學科，第8章在確定性多學科優化設計理論和不確定優化理論基礎上介紹瞭不確定多學科優化設計技術的基本框架，總結瞭現階段已獲得的理論研究成果。對於詳細的確定性多學科優化設計技術，讀者可參閱相關書籍，本書重點對不確定環境下多學科優化設計技術進行討論，並實現部分方法的工程應用。

工程結構在現實世界中的挑戰：不確定性的存在與優化的必然 在宏偉的工程建設領域，我們所設計的每一座橋梁、每一棟高樓、每一條隧道，都承載著巨大的責任。它們不僅是物理空間的延伸，更是人類智慧與力量的凝結，其穩定性和可靠性直接關係到無數生命財産的安全，以及社會經濟的正常運轉。然而，當我們深入審視工程結構的設計與建造過程時，就會發現一個無法迴避的現實：我們所處的環境，以及我們對環境的認知，充滿瞭“不確定性”。 這種不確定性並非是抽象的哲學概念，而是貫穿於工程實踐的每一個環節，如影隨形。從最初的選址考察，到材料的選取與加工，再到施工過程中的環境變化，乃至結構投入使用後的長期服役，都可能遭遇各種各樣的變化和偏差。 不確定性的多元體現： 材料性質的離散性與波動性： 即使是同一批次的鋼材、混凝土，其強度、韌性、彈性模量等關鍵力學性能也存在著微小的差異。這些差異可能是由於生産工藝、原材料批次、儲存條件等因素造成的。更進一步，材料的性能會受到溫度、濕度、腐蝕等環境因素的影響，這些影響往往難以精確預測。例如，混凝土的強度會隨養護時間、水灰比、骨料級配等因素變化；鋼材的屈服強度和抗拉強度也可能因為微觀結構的差異而有所不同。在復雜工程項目中，大量的材料構件聚集在一起，這些微小的離散性纍積起來，就可能對結構的整體性能産生不可忽視的影響。 荷載的隨機性與動態性： 工程結構所承受的荷載，無論是恒載（結構自重）還是活載（使用荷載、風荷載、雪荷載、地震荷載等），都並非是恒定不變的。恒載雖然相對穩定，但構件尺寸的偏差、材料密度的變化等也會帶來一定的變數。而活載則更加復雜多變。例如，交通荷載（車輛、行人）的大小和分布會隨著時間、交通流量而變化；風荷載的強度和方嚮受氣象條件影響，具有明顯的隨機性；地震荷載的幅值、頻率和持續時間更是難以精確預測，屬於典型的隨機過程。這些荷載的不確定性，直接挑戰著結構的承載能力設計。 幾何尺寸與施工偏差： 盡管我們力求精確，但在大規模的工程建造過程中，構件的實際尺寸、連接的精度、軸綫的偏差等都可能存在一定範圍的誤差。這些偏差源於測量誤差、施工操作的精細度、模闆的變形、地基沉降等多種因素。例如，梁的截麵尺寸可能與設計值有微小的齣入，柱子的垂直度可能存在一定的傾斜，構件的連接點可能並非完全對準。這些幾何偏差一旦纍積，就可能改變結構的實際受力狀態，影響其整體的剛度和穩定性。 環境條件的復雜變化： 工程結構的設計往往是在一定的假定環境下進行的，但實際服役期間，環境條件可能發生超齣預期的變化。例如，溫度的劇烈波動可能導緻材料熱脹冷縮，産生附加應力；濕度的變化可能影響材料的耐久性；土壤的性質可能因為地下水的變化、凍融循環而發生改變，影響地基的承載能力；化學腐蝕、磨損等因素也會逐漸侵蝕結構材料，降低其性能。 模型簡化的必然性： 為瞭便於分析和計算，我們在建立結構模型時，往往會對真實的物理世界進行一定程度的簡化。例如，我們可能將復雜的連續體模型簡化為離散的單元模型，忽略某些次要的連接細節，或者采用理想化的邊界條件。這些模型簡化雖然提高瞭計算效率，但也引入瞭與真實結構行為的偏差。 不確定性帶來的風險： 正是由於上述種種不確定性的存在，傳統的確定性設計方法在麵對真實世界的復雜性時，往往顯得力不從心。如果僅僅基於理想化的、確定的參數進行設計，一旦實際情況偏離瞭這些參數，就可能導緻： 結構承載能力不足，存在失效風險： 當實際荷載大於設計荷載，或者材料性能遠低於設計值時，結構可能發生過度的變形、開裂，甚至發生脆性斷裂，造成災難性的後果。 結構安全性冗餘過度，資源浪費： 為瞭應對不確定性，傳統設計往往會引入較大的安全係數，這雖然提高瞭安全性，但也可能導緻結構構件尺寸過大、材料用量過多，增加瞭工程成本，也可能影響結構的輕質化和美觀性。 預測性能與實際性能的偏差： 即使結構在設計荷載下錶現良好，但由於各種不確定因素的纍積，其在實際使用中的變形、振動、裂縫寬度等性能參數可能與設計預期存在顯著差異，影響結構的正常使用和使用壽命。 決策的睏難與風險評估的模糊： 在不確定性環境下，如何做齣最優的設計決策，如何量化和管理潛在的風險，是工程管理者麵臨的重大挑戰。 優化的必然性：在不確定中尋求最佳 麵對工程結構固有的不確定性，我們不能僅僅停留在對風險的認知上，而是必須積極地尋求解決方案。而“優化”正是應對不確定性、實現工程結構安全、經濟、高效設計的核心理念。 優化設計，並非簡單地在已有的設計方案中進行調整，而是一個係統性的、科學的決策過程。它旨在通過數學方法和計算工具，在滿足一係列約束條件的前提下，尋找能夠使某個或某幾個目標函數達到最優（例如，最小化結構重量、最小化結構成本、最大化結構可靠度、最小化結構變形等）的參數組閤。 然而，當我們試圖將優化理念應用於工程結構的設計時，就會發現，如果不考慮不確定性，我們的優化結果可能隻是一個“紙上談兵”的最優解，在現實世界中可能毫無意義，甚至帶來隱患。因此，真正有價值的優化，必然要與不確定性緊密結閤，形成“不確定優化設計”。 不確定優化設計的核心挑戰與目標： 如何量化不確定性？ 將模糊的、難以捉摸的不確定性轉化為可計算的、可管理的數學模型，是進行不確定優化的基礎。這可能涉及概率論、統計學、模糊數學等多種方法。 如何在不確定性下定義“最優”？ 當設計參數和性能指標都帶有隨機性時，傳統的確定性目標函數已經不足以描述“最優”。我們需要發展新的評價指標，例如，在一定可靠度下的成本最小化，或者在給定成本下的可靠度最大化。 如何提高計算效率？ 考慮不確定性往往會大大增加計算的復雜度。如何在保證精度的前提下，找到高效的計算方法，以適應實際工程設計的需求，是關鍵的技術難題。 如何將優化結果轉化為可執行的設計？ 優化算法得到的結果需要能夠清晰地指導實際的設計和施工，確保優化目標的實現。 對工程結構設計的新要求： 不確定優化設計技術的引入，對傳統的工程結構設計理念和方法提齣瞭全新的要求。它不再僅僅是工程師憑經驗和規範進行“驗算”和“調整”的過程，而是一個基於數據、模型和算法的科學決策過程。 從“經驗設計”到“模型驅動設計”： 依賴於經驗和保守的安全係數的做法將逐漸被模型化、參數化的設計方法所取代。 從“靜態設計”到“動態適應設計”： 考慮到結構在服役期間可能麵臨的環境變化和荷載波動，設計需要具備一定的適應性和魯棒性。 從“單一目標設計”到“多目標綜閤優化”： 在滿足安全性的前提下，還需要綜閤考慮經濟性、耐久性、美觀性等多個可能相互製約的目標。 從“離散分析”到“概率分析與可靠度設計”： 更加重視對結構失效概率的評估，將可靠度作為重要的設計指標。 綜上所述，工程結構設計所麵臨的不確定性是客觀存在的，而優化則是應對這種不確定性的必然選擇。理解並掌握不確定優化設計技術，是提升工程結構安全水平、降低工程成本、實現可持續發展的重要途徑。這需要我們不斷深化對不確定性機理的認識，發展先進的數學模型和計算方法，並將其有效地應用於工程實踐之中。

評分☆☆☆☆☆

從排版和閱讀體驗來看，這本書的錶現也令人不敢恭維。字體選擇偏小，行間距過於緊湊，再加上大量公式擠壓瞭文本空間，使得長時間閱讀成為一種煎熬。更要命的是，書中插圖的質量非常感人——很多本應起到解釋作用的示意圖，模糊不清，綫條粗糙，有些甚至看起來像是早期的激光打印件被反復復印的結果。我特彆想看一些關於大型復雜結構（比如超高層建築或復雜橋梁）在考慮環境荷載不確定性時的三維可視化優化結果展示，但這本書記載的案例圖例，要麼是簡單的二維示意圖，要麼是極其簡化的數值結果截圖，完全無法展示齣“工程結構不確定優化”所應有的宏大和精細。這樣的呈現方式，對於一本聲稱是技術前沿的著作來說，顯得非常不專業，極大地削弱瞭讀者對書中內容的信任感和閱讀的興趣。

評分☆☆☆☆☆

最讓我感到睏惑的是書中對“優化目標函數”的選取和處理方式。作者似乎預設瞭所有的工程問題都可以用單一的成本函數來度量，並且這個成本函數是完全可知的。但實際工程中，我們需要平衡的往往是多個相互衝突的目標，比如安全性、經濟性、可施工性、環境影響，甚至還有業主的偏好。書中對多目標優化理論的介紹蜻蜓點水，對於如何處理目標函數之間的權重分配問題，尤其是當這些權重本身也帶有不確定性時，更是避而不談。這種簡化處理，使得書中所介紹的優化方法在麵對現實世界中的復雜權衡問題時，顯得蒼白無力。一本真正有價值的“優化設計”書籍，應該教會讀者如何構建一個能反映真實世界復雜性的、多維度、層次化的目標體係，並提供解決這一體係衝突的有效工具，而非僅僅提供一個基礎的單目標最小化模型作為所有問題的答案。

評分☆☆☆☆☆

這本書在處理“數據驅動”與“模型驅動”的結閤上顯得相當保守和落後。在當前人工智能和機器學習技術飛速發展的背景下，工程設計流程正逐步被大數據分析和智能算法重塑，但此書的內容似乎還停留在傳統的基於概率論和隨機過程的靜態分析階段。我沒有看到任何關於如何利用曆史性能數據、傳感器信息進行在綫更新或實時反饋優化的討論。例如，如何將貝葉斯方法與深度學習模型相結閤，以更經濟、更準確地評估長期服役結構的不確定性，這些前沿的議題在書中完全被忽略瞭。作者似乎固守著上世紀末的優化範式，對於當前工程界迫切需要的“智能、自適應”設計理念缺乏敏感性。因此，這本書與其說是“工程結構不確定優化設計技術”，不如說是“工程結構不確定性分析的傳統數學方法匯編”。對於追求技術革新的讀者而言，這無疑是一次信息獲取的滯後體驗。

評分☆☆☆☆☆

我花瞭些時間試圖理解書中關於魯棒性指標構建的部分，但整體感覺作者的敘述邏輯有些跳躍和零散。它似乎將幾個不同的優化流派生搬硬套地組閤在瞭一起，缺乏一個貫穿始終的、清晰的主綫來指導讀者理解不同優化方法之間的內在聯係和適用場景的差異。例如，在討論可靠性優化和韌性優化時，區分度不夠明確，很多關鍵的術語定義也顯得不夠嚴謹，導緻我在理解“最優”的真正含義時感到睏惑。我期待的是一個能提供清晰決策路徑的指南，告訴我麵對特定類型的工程風險時，應該優先考慮哪種優化範式。書中提供的圖錶和流程圖也顯得陳舊且信息密度過低，無法有效幫助讀者梳理復雜的優化流程。總的來說，這本書給我的印象是：概念堆砌有餘，係統整閤不足。它像是一個知識點的羅列，而不是一個有機生長的知識體係，讀完後，我對自己應該采用何種具體技術來應對日益復雜的工程環境，並沒有得到明確的指引，反而增添瞭更多理論上的迷茫。

評分☆☆☆☆☆

這本號稱要深入探討“工程結構不確定優化設計技術”的著作，拿到手時我懷著極大的期待。然而，翻閱數頁之後，我發現它似乎更像是一部晦澀難懂的理論集閤，而非一本能指導實踐的工具書。書中充斥著大量復雜的數學公式和抽象的概念，比如隨機變量的積分變換、高維概率密度函數的數值模擬，這些內容對於需要快速解決實際工程問題的工程師來說，簡直是一場災難。我本期望能看到一些關於如何將不確定性量化並有效地集成到結構設計流程中的實際案例，或者是一些新穎的、可操作的算法框架。但很遺憾，這些期望大多落空瞭。內容深度雖然足夠，但似乎過於偏嚮理論推導的完備性，而忽略瞭工程應用的可讀性和直觀性。比如在描述Monte Carlo模擬的應用時，作者僅僅停留在原理層麵，對於如何設定有效的邊界條件、如何處理計算資源的瓶頸，幾乎沒有提及任何有價值的見解。這使得這本書更適閤那些緻力於純粹學術研究的博士生作為理論參考，對於一綫的設計人員，它的實用價值非常有限，甚至可能因為其深度和復雜性而讓人望而卻步，難以真正將“不確定優化”的思想融入日常工作中。

評分☆☆☆☆☆

包裝精美，物流迅速，書的質量很好

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