系列设计与仿真 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:清华大学出版社作者:顾启泰出品人: 页数:295 译者: 出版时间:1995-07 价格:17.50 装帧:平装 isbn号码:9787302017622 丛书系列:

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具体描述

内容简介

本书系统地介绍控制系统计算机辅助分析、综合，系统仿真和参数最优化等技术。其特点

是：1.采用古典控制和现代控制相统一的方法，内容新颖，并具有相当的深度和广度；还引入

了如非线性振动、机器人操作手和分布系统仿真等新内容，以适应当前科技发展的需要。2.强

调基本算法，并在算法和程序设计之间架起一座桥梁，帮助读者应用基本算法独立编制程序。

3.密切结合工程实际，并有丰富的例题，便于自学和应用参考；此外对THSIM系统仿真软件

包的功能和应用作了重点介绍。

本书适合机电、控制专业本科生、研究生教学和专业技术人员自学参考。

深入浅出的工程实践：面向现代工业应用的高级结构分析与优化图书简介本书旨在为结构工程、机械设计、材料科学等领域的专业人士、研究人员以及高年级本科生和研究生提供一套全面、深入且极具实践指导意义的结构分析与优化方法论。我们摒弃了纯粹理论的枯燥堆砌，聚焦于如何将先进的工程力学原理与现代计算工具高效结合，以解决日益复杂的工业应用中的实际问题。全书结构严谨，内容紧密围绕“从建模到优化”这一核心流程展开，共分为七大部分，近三十个章节，力求覆盖从基础概念到前沿技术的全景图。第一部分：高级结构力学基础与有限元方法精要（Foundation & FEA Essentials）本部分是理解后续所有高级主题的基石。我们首先回顾了经典材料力学和结构力学中易被忽略但至关重要的概念，如几何非线性、接触理论的物理本质。核心内容包括：弹性力学本构关系的高阶表达（如速率相关性与粘弹性引入），应力奇异性分析的必要性。随后，我们将视角转向有限元方法（FEM）。本书不将FEM视为“黑箱”，而是深入探讨其背后的数学原理。详细剖析了变分原理（如虚功原理、最小势能原理）在离散化过程中的作用，单元选择的精度与效率权衡（如剪切锁定、泊松比效应），以及网格划分策略的精细化控制（自适应网格与局部加密技术）。尤其关注了非线性有限元分析的求解策略，包括大变形下的弧长法、Newton-Raphson迭代的收敛性分析及预处理器的选择对求解效率的关键影响。第二部分：复杂载荷与环境效应模拟（Complex Loading & Environmental Effects）现代工程结构往往承受着多尺度、多物理场的复杂载荷。本部分专注于如何准确地将这些外部影响转化为有效的有限元输入。重点章节探讨了： 1. 冲击与爆炸响应分析：详细讲解了显式动力学分析（Explicit Dynamics）的原理、时间步长控制及接触算法的选择。对比了Lagrangian、Eulerian和ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）描述在处理流固耦合和材料大变形时的适用性。 2. 热-结构耦合分析：不仅限于稳态热传导，更深入探讨了瞬态热载荷下的热膨胀、蠕变效应以及热应力松弛。介绍了如何将CFD（计算流体动力学）计算结果无缝导入结构模型进行二次开发。 3. 疲劳与断裂力学基础：引入了基于应变和应力寿命预测的经验模型（如Coffin-Manson），以及损伤容忍设计（Damage Tolerance）所需的线性/弹塑性断裂韧性评估方法，如J积分和应力强度因子计算的精确化。第三部分：材料建模的深度探索（Advanced Material Modeling）材料是结构性能的决定因素。本书投入大量篇幅处理真实世界材料行为的复杂性，超越了简单的线弹性假设。本部分深入阐述了：弹塑性模型：详解了屈服准则（如Von Mises, Tresca）的选用，硬化法则（各向同性、随动、混合硬化）对结构极限承载力的影响。特别针对金属、复合材料和高分子材料的本构关系进行了分类讨论。损伤与失效模型：重点介绍了内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）在模拟界面开裂和层间剥离中的应用，以及纤维增强复合材料的失效准则（如Hashin准则、Tsai-Wu准则）在实际单元失效判定中的实现。增材制造（AM）中的材料特性：针对3D打印带来的残余应力、各向异性微观结构和孔隙率问题，介绍了如何通过实验数据校准和多尺度建模来准确描述增材制造部件的力学行为。第四部分：结构优化理论与方法（Structural Optimization）优化是实现轻量化、高可靠性和低成本设计的关键技术。本部分系统地介绍了多种先进的优化算法。主要内容包括： 1. 拓扑优化（Topology Optimization）：详细解析了密度法（SIMP）和水平集法（Level Set Method）的核心思想、数学描述以及在约束条件下的收敛性问题。讨论了如何通过制造约束（如最小特征尺寸、拔模方向）来指导优化结果的可制造性。 2. 形状优化与尺寸优化：介绍了伴随灵敏度分析（Adjoint Sensitivity Analysis）在高效计算梯度方面的优势，以及如何应用于边界和节点的精细调整。 3. 多目标优化与近似模型：讲解了Pareto前沿的概念，并介绍了响应面法（Response Surface Method, RSM）和Kriging模型等代理模型技术，用以加速对高保真有限元模型的迭代优化过程。第五部分：多物理场与多尺度耦合（Multiphysics & Multiscale Coupling）本部分面向需要集成不同工程领域的复杂系统设计。内容涵盖了：电磁-结构耦合（如压电效应、磁致伸缩）、流固耦合（FSI）的稳定求解技术，以及多尺度分析的必要性。特别强调了从微观晶体/纤维尺度（如分子动力学或细观模型）的结果如何作为宏观连续介质模型的输入参数，实现跨尺度的可靠预测。第六部分：高级计算技术与性能工程（High-Performance Computing & Performance Engineering）本书探讨了如何利用现代计算资源提升分析效率和可靠性。详细介绍了大规模模型的并行求解技术（如域分解法、矩阵重构），以及可靠性分析（Reliability Analysis）方法，包括First-Order Reliability Method (FORM) 和 Monte Carlo 模拟在处理输入参数不确定性中的应用。讨论了如何利用GPU加速特定的数值积分和矩阵运算。第七部分：工程案例验证与前沿展望（Case Studies & Future Outlook）最后一部分通过深度剖析航空航天、能源装备和生物医学工程中的真实案例（如涡轮叶片的热疲劳分析、桥梁结构的振动控制），来巩固前述理论与方法。同时，展望了基于机器学习（ML）的材料参数逆向工程和结构性能预测的发展方向，为读者指明了未来的研究和应用路径。本书特色：实践导向：理论推导后紧跟实际软件（如ABAQUS, ANSYS等）中的对应实现步骤和参数设置建议。深度与广度兼顾：既有基础理论的精炼梳理，也有前沿方法的详细介绍。跨学科视野：将结构分析置于更广阔的材料科学和系统工程背景下进行考察。本书是结构工程领域从“知道如何计算”到“知道如何设计和优化”的关键桥梁。

作者简介

顾启泰 1936年出生，

1960年毕业于清华大学精

密仪器及机械学系，留校任

教，现为该系教授、博士生

导师。1979年赴荷兰特温蒂

大学进修现代控制理论，

1981年回国后，主要从事

鲁棒调节器理论及其应用、

系统建模与仿真、惯性导航

与测量以及微机控制方面研

究，曾多次获得部级科技进

步奖，已发表论文40余篇。

现担任中国电子工程学会导

航分会委员，中国航空学会

自动控制分会委员、陀螺惯

导专业委员会主任委员。

目录信息

第1章绪言
1.1 数字计算机的特点
1.2 CAD技术
1.3 算法的基本概念
1.浮点数运算
2.病态问题
3.数值稳定性问题
1.4 课程内容
第2章矩阵基础知识
2.1 矩阵运算
1.矩阵的加法和乘法
2.矩阵的转置
3.克罗内克尔积
4.初等变换和初等阵
5.矩阵逆算法
2.2 线性方程组的直接解法
1.求解三角形方程组的算法
2.计算三角阵逆的算法
3.高斯消去法
2.3 LU分解
2.4 正交变换
1.正交性
2.正交变换
3.初等正交变换
2.5 正交相似变换和酉相似变换
1.初等旋转相似变换
2.初等反射相似变换
3.酉相似变换
4.程序举例――orthes子程序
2.6 QR方法
1.QR算法及其收敛性
2.带原点位移的QR算法
3.两步位移的QR算法
4.程序举例――HQR子程序
2.7 矩阵范数
1.定义
2.构造
3.矩阵序列极限
2.8 矩阵的条件数
2.9 广义逆矩阵
1.定义
2.广义逆计算
3.广义逆应用
2.10 奇异值分解
1.存在性
2.算法
3.SVD的应用
第3章数学模型及其转换
3.1 系统类型
3.2 控制系统常用的数学模型
1.连续系统
2.离散系统
3.3 数学模型之间的转换
1.化连续状态方程为离散状态方程
2.化离散状态方程为连续状态方程
3.化微分方程为状态方程
4.化状态方程为传递函数
5.化传递函数为状态方程
6.化线性结构图为状态方程
7.化非线性结构图为状态方程
8.化线性结构图为传递函数
9.化传递函数为z函数
10.化z函数为传递函数
第4章计算机辅助分析
4.1 计算系统特征根判断系统稳定性的直接法
4.2 利用劳斯判据判断系统稳定性的代数法
4.3 利用开环频率特性计算闭环稳定性的奈魁斯特法
1.基本原理
2.算法
3.程序设计
4.4 对数幅频相频特性计算和伯德图
第5章计算机辅助综合
5.1 性能指标和综合方法
5.2 PID调节器设计
1.基本原理
2.算法
3.计算例题
5.3 根轨迹直接计算法
1.系统结构图
2.系统方程
3.特征值计算
5.4 分支跟踪法
1.基本原理
2.基本算法
3.判断及计算分离点的算法
4.程序设计中几个问题
5.举例
5.5 极点配置法
1.单输入单输出系统状态反馈
2.多输入多输出系统状态反馈
3.多输入多输出极点配置程序设计
第6章控制系统的数字仿真
6.1 发展历史
6.2 数字仿真算法
1.数值积分方法
2.按系统离散相似法（转移矩阵法）
3.屠斯丁法
4.按环节离散相似法
5.仿真模型误差和稳定性问题
6.步长的选择
7.仿真算法的选择和比较
6.3 THSIM系统仿真软件包
1.功能和特点
2.数学模型
3.输入函数
4.非线性函数
5.应用举例
附录A
附录B
附录C
附录D
附录E
第7章非线性振动系统的数字仿真
7.1 非线性系统的自由振动
1.保守系统
2.非线性阻尼的影响
3.自激振动系统
7.2 非线性系统的强迫振动
第8章机器人操作手数字仿真
8.1 拉格朗日运动方程式
8.2 二杆操作手数字仿真
1.动力学方程
2.控制
3.数字仿真
第9章分布系统的数字仿真
9.1 有限差分的原理
9.2 一维热传导问题
9.3 振弦系统
第10章随机噪声数字仿真
10.1 随机噪声的数学描述
1.随机变量
2.随机过程
3.常见的概率分布
4.自相关函数与功率谱密度
5.常见的随机过程
10.2 有色噪声的形成
1.互功率谱密度与频率特性之间关系
2.输出自功率谱密度与频率特性之间关系
3.平稳输出
4.非平稳输出
10.3 随机噪声基本特性的数字量测
1.均值与方差的计算
2.概率密度函数的数值计算
3.自相关函数的数值计算
4.功率谱密度的数值计算
10.4 随机噪声的数字仿真
1.随机数的产生
2.对随机噪声按概率分布要求进行整形
10.5 常见的随机误差模型
1.随机常数
2.随机斜坡
3.随机游动
4.指数相关的随机过程
5.自回归－滑动平均模型ARMA（p，q）
第11章离散事件系统的数字仿真
11.1 离散事件系统仿真模型的建立
11.2 排队论的基本概念
1.排队系统的组成
2.到达模式
3.服务机构
4.排队规则
5.队列的度量
6.排队模型的分类
11.3 到达间隔和服务时间的分布
11.4 排队系统的分析
1.单服务台M/M/1模型
2.多服务台M/M/c模型
3.M/M/c和M/M/1模型比较
11.5 离散事件系统的仿真语言
1.GPSS通用仿真系统语言
2.SIMSCRIPT专用仿真系统语
3.CSIMAN通用混合仿真语言
11.6 Petri网仿真
1.Petri网图
2.事件逻辑关系的网图
3.系统结构网图
4.随机系统的Petri网仿真
第12章参数最优化技术
12.1 参数寻优问题
12.2 单变量寻优技术
1.分割法
2.插值法
12.3 多变量寻优技术
1.一次梯度法
2.二次梯度法
3.共轭梯度法
12.4 松弛法与单纯形法（模式法）
1.松弛法
2.单纯形法（模式法）
12.5 随机寻优法
1.随机序贯寻优法
2.随机搜索寻优法
3.随机模式搜索寻优法
12.6 寻优过程中的约束条件
1.代价函数法
2.互换寻优法
12.7 基于二次型性能指标的最优控制
1.基本理论
2，黎卡提方程解
3.程序设计
附录程序文本
1.化一般矩阵为上赫申伯格阵（orthes）
2.求上赫申伯格阵特征值（HQR）
3.矩阵的奇异值分解（SVD）
4.多项式矩阵求逆（SFF）
5.劳斯表计算和稳定性判断
6.PID校正装置设计
7.分支跟踪根轨迹法
8.SISO极点配置
9.连续系统仿真的四阶龙格－库塔法
10.连续系统仿真的离散相似法
11.二次插值法
12.求解黎卡提方程的迭代法
参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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**书评五：对跨学科融合的深刻阐述** 这本书最让我印象深刻的，是它对“融合”二字的深刻理解和实践。它将原本看似孤立的机械、电子、材料科学以及软件工程等多个领域，用一种极其有机的方式编织在一起。作者清晰地描绘了在现代产品开发周期中，不同学科专家如何在一个共享的数字平台上高效协作的场景。书中对数据驱动决策的强调，也体现了对未来产业趋势的准确把握。这不是一本单科教材，而是一本关于“系统整合”的蓝图。它让我意识到，未来的技术竞争不再是单一技术维度的比拼，而是整合能力的高下。阅读过程中，我不断被启发去思考如何打破部门壁垒，建立更具协同性的研发团队结构，其思想深度远超一般的技术书籍范畴。

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**书评四：图文并茂，实践导向性强** 我是一个非常注重实践案例的读者，而这本书在这方面做得极为出色。它所附带的大量高质量插图和流程图，不仅仅是装饰，更是对复杂概念的直观解释。例如，在讲解复杂装配体的公差分析时，书中配的立体图解远比文字描述来得有效和快捷。作者似乎非常清楚，面对工程问题，图胜于千言。每一个理论模型几乎都对应着一个现实世界中的应用范例，这极大地增强了知识的可迁移性。读这本书时，我常常会对照自己的工作任务，尝试套用书中的方法论，并发现确实能立即提升解决问题的效率。对于那些将理论学习视为工具而非目的的读者而言，这本书无疑是一本能立刻上手操作的“工具箱”。

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**书评二：叙事流畅，知识密度适中** 这本书的阅读体验相当不错，文字流畅，逻辑清晰，即便是涉及高深的技术概念，作者也能用相对平易近近的语言进行阐述，使得初学者也能循序渐进地跟上节奏。我特别欣赏它在章节之间的过渡处理，总能巧妙地将前一节的内容与下一节的主题衔接起来，使得整个知识体系结构完整，没有那种生硬的拼凑感。其中关于人机交互界面优化的章节，不仅展示了美学考量，更融入了大量的用户行为学分析，这一点非常难得。这本书的优点在于它找到了理论深度与可读性之间的绝佳平衡点，既能满足资深人士对细节的探究，也能为行业新人提供坚实的知识基石。读完合上书本时，感觉收获的不仅仅是知识点，还有一种系统思考问题的全新视角。

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**书评三：对传统方法的颠覆与反思** 坦白说，这本书在某些章节中对传统设计范式的挑战是相当激进的，这正是我认为它价值非凡的原因所在。它没有故步自封于既有的规范，而是大胆地探讨了在数字化浪潮下，传统设计流程中存在的冗余环节和效率瓶颈。作者通过对几个标志性项目的复盘分析，有力地论证了精益化管理和敏捷开发理念在产品设计初期介入的重要性。这种批判性思维的引入，促使读者不得不停下来反思自己日常工作中是否被效率低下的“惯性思维”所束缚。全书洋溢着一股求新求变的探索精神，对于渴望突破现状、寻求技术升级的企业和个人来说，这本书无疑是一剂强心针，能够激发我们对“更好”而非“更旧”的追求。

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**书评一：对前沿技术应用的深度洞察** 我最近读了一本关于现代工业设计与工程实践的书籍，它给我留下了极为深刻的印象。这本书并没有停留在理论的阐述，而是将笔触深入到尖端技术如何驱动产品创新和系统优化的具体案例中。作者在描述复杂系统集成和虚拟原型构建时，展现了极高的专业素养和丰富的实践经验。尤其是在描述新材料应用与结构优化这一章节，书中详尽地剖析了如何通过跨学科的知识融合，实现性能上的飞跃，这对于我们这些身处研发一线的工程师来说，无疑是一份极具参考价值的宝典。书中对参数化设计方法的介绍，更是点明了未来设计流程自动化的趋势，读完后，我对如何将理论转化为可执行的工程方案有了更清晰的认识。它不是一本简单的教程，更像是一场关于如何将想象力转化为现实产品的深度对话。

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