工程结构不确定优化设计技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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邱志平，王晓军，许孟辉 著

图书标签:

• 工程结构
• 不确定性
• 优化设计
• 可靠性设计
• 概率设计
• 结构优化
• 算法
• 工程应用
• 数值方法
• 有限元

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030390257

版次：1

商品编码：11367083

包装：平装

开本：16开

出版时间：2013-11-01

用纸：胶版纸

页数：536

字数：651000

正文语种：中文

内容简介

　　 《工程结构不确定优化设计技术》将工程领域存在的随机不确定性和认知不确定性分为随机性、模糊性和非概率凸性，分别从可靠性和稳健性分析与设计角度出发，详细介绍了工程结构不确定性优化设计技术理论及工程应用。理论方法部分主要针对单一不确定性和混合不确定性的工程实际，介绍了不确定性设计基本原理与适用范围，同时系统地总结了不确定性多学科优化设计技术；工程应用部分实践了各种设计模型及算法的工程实现方法，包括作者科研项目中的典型结构件等；最后对工程结构不确定性优化设计技术未来的前景作了简单的展望。

内页插图

目录

前言
第1章 绪论
1．1 引言
1．2 不确定性源及差异
1．3 含不确定性的某些实际问题
1．3．1 含随机不确定性的实际问题
1．3．2 含模糊不确定性的实际问题
1．3．3 含未确知而有界性实际问题
1．4 不确定优化
1．4．1 基于随机模型的优化方法
1．4．2 基于模糊模型的优化方法
1．4．3 基于非概率凸模型的优化方法
1．5 本章结论
参考文献
第2章 工程设计方法
2．1 可靠性设计
2．1．1 可靠性设计的重要性
2．1．2 可靠性设计原理
2．1．3 可靠性关系
2．2 稳健性设计
2．2 产品质量特性
2．2．2 稳健设计基本原理
2．2．3 稳健设计分类
2．2．4 稳健设计模型
2．2．5 稳健设计理论框架
2．3 代理模型
2．3．1 函数模型
2．3．2 径向基函数模型
2．3．3 多项式响应面模型
2．3．4 神经网络近似模型
……
第3章 数学规划与结构优化
第4章 随机优化设计方法
第5章 模糊优化设计方法
第6章 非概率优化设计方法
第7章 工程不确定优化设计方法
第8章 不确定多学科优化设计方法

前言/序言

　　结构分析和设计技术发展至今，一方面要求提高计算精度和计算效率，对此设计人员可以通过改善工程结构的建模技术和构造高效率算法来解决；另一方面，科学技术的发展已由过去的“确定论”（即已知系统的初始条件，通过物理定律，便可确定系统以后的运动状况）发展到今天的“选择论“或“不确定论”（系统的初始条件未必已知或精确已知，通过物理定律，可确定系统的多种或不确定的运动形式）。确定性的描述仅反映了事物共性或普遍性的一面，而不确定性的描述则是要刻画事物个性或特殊性的一面，人们认识事物不但要认识它的共性，更重要的是要认识事物的个性或特殊性，以便全面地认识和改造事物。优化本质上表现为决策过程，广泛应用于工业、农业、工程、交通等诸多领域。优化技术对于结构或结构系统性能提高、资源合理配置、能量低耗散及经济效益增长均具有明显的作用。传统工程问题的分析和优化一般基于确定性的系统参数和优化模型，并借助经典的确定优化方法进行模型的求解。然而，在许多实际的工程问题中，不可避免地存在着材料特性、结构几何参数、边界条件、初始条件、测量误差等不确定性。虽然这些不确定性数值一般较小，但系统非线性及多系统耦合效应则会造成结构或结构系统性能产生较大的波动而无法发挥其规定作用，甚至会造成极其严重的后果。不确定环境下工程结构的优化设计逐渐得到了学者和工程师的重视和青睐。面对这种需求，发展相对完整的面向工程结构的不确定优化设计技术成为必然。
　　本书尽可能为读者提供不确定优化设计技术相对清晰的框架，逐步向读者展示这个研究领域涉及的主要内容，安排如下。
　　第1章呈现了工程结构不确定性分析与优化的基本框架，包括不确定性产生的根源及相应的分类方法、不确定优化基本理论。通过典型的含有不确定性的工程结构等领域的问题实例，使读者对不确定性形成直观的印象。这一章扼要地讨论了后面各章将深入展开的不确定优化问题。
　　第2章介绍了工程结构设计的基本方法：可靠性设计和稳健性设计，对两种从不同角度处理不确定性的设计方法的基本概念与原理进行较为详细的阐述。针对大型结构或结构系统可靠性或稳健性分析的复杂性，本章详细列举了现有代理模型方法。同时，针对优化模型求解困难的问题，以智能优化算法为重要内容对部分优化算法的基本原理及流程进行了说明。
　　第3章从确定性数学规划开始，详细地介绍了包括线性与非线性的单目标数学规划及多目标数学规划的基本理论。在此基础上，对结构优化设计理论发展之初即提出并沿用至今的最优准则法进行了简要的概述，这是结构优化理论发展过程中一个具有重要意义的发展阶段和发展成果。
　　第4～6章分别从可靠性设计和稳健性设计理念出发，以单一不确定性为对象，根据作者多年从事不确定性分析与设计的经验，总结作者及国内外学者在不确定性分析与设计领域的研究成果，分别对随机型、模糊型和未知然而有界型不确定优化设计的原理、模型及求解方法进行了系统性地讨论。同时，以数值算例或典型工程结构为对象，实现了理论方法的工程应用。本书重点在第5～8章，读者可侧重于对这几章内容的理解。
　　工程结构不确定性广泛存在，并且不确定性往往以混合形式存在。例如，在机翼结构初始设计阶段，由于试验数据有限，结构几何参数、新型材料参数等往往定量化为区间数或模糊数形式。随着设计过程的进行，部分初始定量化为区间数的参数由于试验数据的增加而获得其概率密度函数，区间数转化为随机数，而其余参数仍为区间数或模糊数，即同时存在随机型、模糊型及区间型三种不同形式的不确定性。第7章在第4～6章的理论基础上，以混合形式不确定性为对象，从结构或结构系统可靠性或稳健性设计出发，系统地讨论了混合不确定环境下结构或结构系统的分析与设计，并实现了理论方法的工程应用。
　　大型结构系统的分析与设计往往涉及结构、气动、控制等多个不同学科，第8章在确定性多学科优化设计理论和不确定优化理论基础上介绍了不确定多学科优化设计技术的基本框架，总结了现阶段已获得的理论研究成果。对于详细的确定性多学科优化设计技术，读者可参阅相关书籍，本书重点对不确定环境下多学科优化设计技术进行讨论，并实现部分方法的工程应用。

工程结构在现实世界中的挑战：不确定性的存在与优化的必然 在宏伟的工程建设领域，我们所设计的每一座桥梁、每一栋高楼、每一条隧道，都承载着巨大的责任。它们不仅是物理空间的延伸，更是人类智慧与力量的凝结，其稳定性和可靠性直接关系到无数生命财产的安全，以及社会经济的正常运转。然而，当我们深入审视工程结构的设计与建造过程时，就会发现一个无法回避的现实：我们所处的环境，以及我们对环境的认知，充满了“不确定性”。 这种不确定性并非是抽象的哲学概念，而是贯穿于工程实践的每一个环节，如影随形。从最初的选址考察，到材料的选取与加工，再到施工过程中的环境变化，乃至结构投入使用后的长期服役，都可能遭遇各种各样的变化和偏差。 不确定性的多元体现： 材料性质的离散性与波动性： 即使是同一批次的钢材、混凝土，其强度、韧性、弹性模量等关键力学性能也存在着微小的差异。这些差异可能是由于生产工艺、原材料批次、储存条件等因素造成的。更进一步，材料的性能会受到温度、湿度、腐蚀等环境因素的影响，这些影响往往难以精确预测。例如，混凝土的强度会随养护时间、水灰比、骨料级配等因素变化；钢材的屈服强度和抗拉强度也可能因为微观结构的差异而有所不同。在复杂工程项目中，大量的材料构件聚集在一起，这些微小的离散性累积起来，就可能对结构的整体性能产生不可忽视的影响。 荷载的随机性与动态性： 工程结构所承受的荷载，无论是恒载（结构自重）还是活载（使用荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载等），都并非是恒定不变的。恒载虽然相对稳定，但构件尺寸的偏差、材料密度的变化等也会带来一定的变数。而活载则更加复杂多变。例如，交通荷载（车辆、行人）的大小和分布会随着时间、交通流量而变化；风荷载的强度和方向受气象条件影响，具有明显的随机性；地震荷载的幅值、频率和持续时间更是难以精确预测，属于典型的随机过程。这些荷载的不确定性，直接挑战着结构的承载能力设计。 几何尺寸与施工偏差： 尽管我们力求精确，但在大规模的工程建造过程中，构件的实际尺寸、连接的精度、轴线的偏差等都可能存在一定范围的误差。这些偏差源于测量误差、施工操作的精细度、模板的变形、地基沉降等多种因素。例如，梁的截面尺寸可能与设计值有微小的出入，柱子的垂直度可能存在一定的倾斜，构件的连接点可能并非完全对准。这些几何偏差一旦累积，就可能改变结构的实际受力状态，影响其整体的刚度和稳定性。 环境条件的复杂变化： 工程结构的设计往往是在一定的假定环境下进行的，但实际服役期间，环境条件可能发生超出预期的变化。例如，温度的剧烈波动可能导致材料热胀冷缩，产生附加应力；湿度的变化可能影响材料的耐久性；土壤的性质可能因为地下水的变化、冻融循环而发生改变，影响地基的承载能力；化学腐蚀、磨损等因素也会逐渐侵蚀结构材料，降低其性能。 模型简化的必然性： 为了便于分析和计算，我们在建立结构模型时，往往会对真实的物理世界进行一定程度的简化。例如，我们可能将复杂的连续体模型简化为离散的单元模型，忽略某些次要的连接细节，或者采用理想化的边界条件。这些模型简化虽然提高了计算效率，但也引入了与真实结构行为的偏差。 不确定性带来的风险： 正是由于上述种种不确定性的存在，传统的确定性设计方法在面对真实世界的复杂性时，往往显得力不从心。如果仅仅基于理想化的、确定的参数进行设计，一旦实际情况偏离了这些参数，就可能导致： 结构承载能力不足，存在失效风险： 当实际荷载大于设计荷载，或者材料性能远低于设计值时，结构可能发生过度的变形、开裂，甚至发生脆性断裂，造成灾难性的后果。 结构安全性冗余过度，资源浪费： 为了应对不确定性，传统设计往往会引入较大的安全系数，这虽然提高了安全性，但也可能导致结构构件尺寸过大、材料用量过多，增加了工程成本，也可能影响结构的轻质化和美观性。 预测性能与实际性能的偏差： 即使结构在设计荷载下表现良好，但由于各种不确定因素的累积，其在实际使用中的变形、振动、裂缝宽度等性能参数可能与设计预期存在显著差异，影响结构的正常使用和使用寿命。 决策的困难与风险评估的模糊： 在不确定性环境下，如何做出最优的设计决策，如何量化和管理潜在的风险，是工程管理者面临的重大挑战。 优化的必然性：在不确定中寻求最佳 面对工程结构固有的不确定性，我们不能仅仅停留在对风险的认知上，而是必须积极地寻求解决方案。而“优化”正是应对不确定性、实现工程结构安全、经济、高效设计的核心理念。 优化设计，并非简单地在已有的设计方案中进行调整，而是一个系统性的、科学的决策过程。它旨在通过数学方法和计算工具，在满足一系列约束条件的前提下，寻找能够使某个或某几个目标函数达到最优（例如，最小化结构重量、最小化结构成本、最大化结构可靠度、最小化结构变形等）的参数组合。 然而，当我们试图将优化理念应用于工程结构的设计时，就会发现，如果不考虑不确定性，我们的优化结果可能只是一个“纸上谈兵”的最优解，在现实世界中可能毫无意义，甚至带来隐患。因此，真正有价值的优化，必然要与不确定性紧密结合，形成“不确定优化设计”。 不确定优化设计的核心挑战与目标： 如何量化不确定性？ 将模糊的、难以捉摸的不确定性转化为可计算的、可管理的数学模型，是进行不确定优化的基础。这可能涉及概率论、统计学、模糊数学等多种方法。 如何在不确定性下定义“最优”？ 当设计参数和性能指标都带有随机性时，传统的确定性目标函数已经不足以描述“最优”。我们需要发展新的评价指标，例如，在一定可靠度下的成本最小化，或者在给定成本下的可靠度最大化。 如何提高计算效率？ 考虑不确定性往往会大大增加计算的复杂度。如何在保证精度的前提下，找到高效的计算方法，以适应实际工程设计的需求，是关键的技术难题。 如何将优化结果转化为可执行的设计？ 优化算法得到的结果需要能够清晰地指导实际的设计和施工，确保优化目标的实现。 对工程结构设计的新要求： 不确定优化设计技术的引入，对传统的工程结构设计理念和方法提出了全新的要求。它不再仅仅是工程师凭经验和规范进行“验算”和“调整”的过程，而是一个基于数据、模型和算法的科学决策过程。 从“经验设计”到“模型驱动设计”： 依赖于经验和保守的安全系数的做法将逐渐被模型化、参数化的设计方法所取代。 从“静态设计”到“动态适应设计”： 考虑到结构在服役期间可能面临的环境变化和荷载波动，设计需要具备一定的适应性和鲁棒性。 从“单一目标设计”到“多目标综合优化”： 在满足安全性的前提下，还需要综合考虑经济性、耐久性、美观性等多个可能相互制约的目标。 从“离散分析”到“概率分析与可靠度设计”： 更加重视对结构失效概率的评估，将可靠度作为重要的设计指标。 综上所述，工程结构设计所面临的不确定性是客观存在的，而优化则是应对这种不确定性的必然选择。理解并掌握不确定优化设计技术，是提升工程结构安全水平、降低工程成本、实现可持续发展的重要途径。这需要我们不断深化对不确定性机理的认识，发展先进的数学模型和计算方法，并将其有效地应用于工程实践之中。

评分☆☆☆☆☆

从排版和阅读体验来看，这本书的表现也令人不敢恭维。字体选择偏小，行间距过于紧凑，再加上大量公式挤压了文本空间，使得长时间阅读成为一种煎熬。更要命的是，书中插图的质量非常感人——很多本应起到解释作用的示意图，模糊不清，线条粗糙，有些甚至看起来像是早期的激光打印件被反复复印的结果。我特别想看一些关于大型复杂结构（比如超高层建筑或复杂桥梁）在考虑环境荷载不确定性时的三维可视化优化结果展示，但这本书记载的案例图例，要么是简单的二维示意图，要么是极其简化的数值结果截图，完全无法展示出“工程结构不确定优化”所应有的宏大和精细。这样的呈现方式，对于一本声称是技术前沿的著作来说，显得非常不专业，极大地削弱了读者对书中内容的信任感和阅读的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

我花了些时间试图理解书中关于鲁棒性指标构建的部分，但整体感觉作者的叙述逻辑有些跳跃和零散。它似乎将几个不同的优化流派生搬硬套地组合在了一起，缺乏一个贯穿始终的、清晰的主线来指导读者理解不同优化方法之间的内在联系和适用场景的差异。例如，在讨论可靠性优化和韧性优化时，区分度不够明确，很多关键的术语定义也显得不够严谨，导致我在理解“最优”的真正含义时感到困惑。我期待的是一个能提供清晰决策路径的指南，告诉我面对特定类型的工程风险时，应该优先考虑哪种优化范式。书中提供的图表和流程图也显得陈旧且信息密度过低，无法有效帮助读者梳理复杂的优化流程。总的来说，这本书给我的印象是：概念堆砌有余，系统整合不足。它像是一个知识点的罗列，而不是一个有机生长的知识体系，读完后，我对自己应该采用何种具体技术来应对日益复杂的工程环境，并没有得到明确的指引，反而增添了更多理论上的迷茫。

评分☆☆☆☆☆

这本号称要深入探讨“工程结构不确定优化设计技术”的著作，拿到手时我怀着极大的期待。然而，翻阅数页之后，我发现它似乎更像是一部晦涩难懂的理论集合，而非一本能指导实践的工具书。书中充斥着大量复杂的数学公式和抽象的概念，比如随机变量的积分变换、高维概率密度函数的数值模拟，这些内容对于需要快速解决实际工程问题的工程师来说，简直是一场灾难。我本期望能看到一些关于如何将不确定性量化并有效地集成到结构设计流程中的实际案例，或者是一些新颖的、可操作的算法框架。但很遗憾，这些期望大多落空了。内容深度虽然足够，但似乎过于偏向理论推导的完备性，而忽略了工程应用的可读性和直观性。比如在描述Monte Carlo模拟的应用时，作者仅仅停留在原理层面，对于如何设定有效的边界条件、如何处理计算资源的瓶颈，几乎没有提及任何有价值的见解。这使得这本书更适合那些致力于纯粹学术研究的博士生作为理论参考，对于一线的设计人员，它的实用价值非常有限，甚至可能因为其深度和复杂性而让人望而却步，难以真正将“不确定优化”的思想融入日常工作中。

评分☆☆☆☆☆

最让我感到困惑的是书中对“优化目标函数”的选取和处理方式。作者似乎预设了所有的工程问题都可以用单一的成本函数来度量，并且这个成本函数是完全可知的。但实际工程中，我们需要平衡的往往是多个相互冲突的目标，比如安全性、经济性、可施工性、环境影响，甚至还有业主的偏好。书中对多目标优化理论的介绍蜻蜓点水，对于如何处理目标函数之间的权重分配问题，尤其是当这些权重本身也带有不确定性时，更是避而不谈。这种简化处理，使得书中所介绍的优化方法在面对现实世界中的复杂权衡问题时，显得苍白无力。一本真正有价值的“优化设计”书籍，应该教会读者如何构建一个能反映真实世界复杂性的、多维度、层次化的目标体系，并提供解决这一体系冲突的有效工具，而非仅仅提供一个基础的单目标最小化模型作为所有问题的答案。

评分☆☆☆☆☆

这本书在处理“数据驱动”与“模型驱动”的结合上显得相当保守和落后。在当前人工智能和机器学习技术飞速发展的背景下，工程设计流程正逐步被大数据分析和智能算法重塑，但此书的内容似乎还停留在传统的基于概率论和随机过程的静态分析阶段。我没有看到任何关于如何利用历史性能数据、传感器信息进行在线更新或实时反馈优化的讨论。例如，如何将贝叶斯方法与深度学习模型相结合，以更经济、更准确地评估长期服役结构的不确定性，这些前沿的议题在书中完全被忽略了。作者似乎固守着上世纪末的优化范式，对于当前工程界迫切需要的“智能、自适应”设计理念缺乏敏感性。因此，这本书与其说是“工程结构不确定优化设计技术”，不如说是“工程结构不确定性分析的传统数学方法汇编”。对于追求技术革新的读者而言，这无疑是一次信息获取的滞后体验。

评分☆☆☆☆☆

包装精美，物流迅速，书的质量很好

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