Advances in Experimental Mechanics VI pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:Dulieu-Barton, J. M. (EDT)/ Lord, J. D. (EDT)/ Greene, R. J. (EDT)

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页数:0

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价格:2024.00 元

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isbn号码:9780878493678

丛书系列:

图书标签:

• Experimental Mechanics
• Solid Mechanics
• Materials Science
• Biomechanics
• Fracture Mechanics
• Non-destructive Testing
• Strain Measurement
• Vibration Analysis
• Finite Element Analysis
• Composite Materials

《结构健康监测与无损评估的最新进展》 前言 结构健康监测（SHM）与无损评估（NDT）是保障现代工程结构安全、可靠运行的关键技术。随着工业化进程的加速和社会对基础设施安全要求的不断提高，对复杂结构系统进行实时、准确的健康状态评估的需求日益迫切。从桥梁、建筑物到飞机、船舶、风力涡轮机，再到先进的制造部件，任何微小的损伤或退化都可能导致灾难性的后果。因此，开发更先进、更智能、更经济的SHM和NDT技术，已成为全球科研和工程领域的重要课题。 《结构健康监测与无损评估的最新进展》汇集了来自世界各地的顶尖研究人员和工程师的最新研究成果与实践经验，全面而深入地探讨了这一跨学科领域的前沿技术、方法论和应用。本书不仅梳理了传统SHM和NDT技术的局限性，更着眼于未来的发展方向，聚焦于那些能够突破现有瓶颈、带来颠覆性变革的新兴技术和理念。本书旨在为结构工程、机械工程、材料科学、信息技术等相关领域的专家学者、工程师以及研究生提供一个全面、权威的参考平台，促进学术交流与技术转化，共同推动SHM和NDT技术的发展，为构建更安全、更可持续的社会贡献力量。 第一篇：传感器技术与数据采集 1.1 新型传感器技术的发展与应用 传感器是SHM和NDT系统的“眼睛”和“触角”，其性能的提升直接决定了系统的监测精度和信息获取能力。本篇将深入探讨一系列新型传感器的发展及其在结构健康监测中的应用。 光纤传感技术： 光纤传感器因其耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、易于集成等优点，在结构健康监测领域扮演着越来越重要的角色。我们将重点介绍基于不同光纤传感原理（如布拉格光栅（FBG）、分布式光纤传感（DTS/DAS/DSS）等）的最新研究进展。内容包括： FBG传感器在应力、应变、温度监测中的高精度应用： 探讨FBG传感器在桥梁、隧道、地下工程等大型结构中的长期健康监测案例，以及如何通过优化封装技术和解调算法提高监测数据的可靠性和稳定性。 分布式光纤传感技术在区域性监测中的优势： 深入分析DTS（温度）、DAS（振动/应变）和DSS（应力）技术在监测长距离线性结构（如管道、输电线路）或大型平面结构（如大坝、机场跑道）方面的潜力。特别关注其在早期损伤探测和火灾监测等方面的应用。 多功能光纤传感器的研发： 探讨如何将多种传感功能（如应变、温度、湿度、腐蚀等）集成到一根光纤中，实现对结构多参数的协同监测，提高信息融合的效率。 表面等离子体共振（SPR）与表面增强拉曼散射（SERS）在化学环境监测中的应用： 介绍这些光学传感技术在监测结构周围化学物质（如腐蚀性气体、污染物）方面的最新进展，以及它们如何为预警结构劣化提供早期指示。 压电传感器及其阵列： 压电传感器以其优秀的能量转换效率和信号响应速度，在冲击损伤检测、模态分析和超声波检测中有着广泛应用。 压电陶瓷（PZT）与聚偏氟乙烯（PVDF）传感器的性能优化： 讨论通过材料改性、纳米结构设计等手段提升压电传感器的灵敏度、带宽和耐久性。 压电传感器阵列在结构损伤定位与成像中的应用： 重点介绍如何利用多通道压电传感器数据，通过延迟-求和波束成形、神经网络等算法，实现损伤的精确三维定位和损伤区域的可视化成像。 基于压电效应的能量收集与自供能传感器： 探讨如何将压电材料用于从环境中提取能量，为SHM传感器提供可持续的电力供应，实现真正的无线、自供能监测系统。 MEMS（微机电系统）传感器： MEMS技术的发展使得制造出微型化、低功耗、高集成度的传感器成为可能。 MEMS加速度计与陀螺仪在结构动力学监测中的应用： 介绍其在监测结构振动特性、动力响应以及姿态变化方面的优势，特别是其在小型无人机、机器人巡检中的集成应用。 MEMS应变片与压力传感器的性能提升： 探讨MEMS技术如何实现更小尺寸、更高精度、更宽量程的应变和压力测量，以及其在微损伤检测和疲劳寿命评估中的潜力。 MEMS惯性测量单元（IMU）在结构位移与变形监测中的应用： 介绍如何利用IMU数据，结合滤波算法，实现对结构缓慢变形和位移的精确估计，尤其适用于高层建筑和长跨度桥梁。 其他新兴传感器技术： 导电聚合物传感器： 探讨其在湿度、气体、应变传感方面的优势，以及在智能涂层和自感应材料中的应用。 磁致伸缩传感器： 介绍其在磁场变化引起的应力、应变测量方面的独特性，以及在钢结构、管道监测中的应用前景。 电阻应变计技术的创新： 讨论如箔式、丝式、半导体式等不同类型电阻应变计的最新发展，以及其在极端环境和精密测量中的应用。 1.2 数据采集系统与通信网络 高性能传感器需要与之匹配的高效数据采集与传输系统。本节将聚焦于现代SHM系统的数据采集、处理和通信方面。 高速、高精度数据采集系统： 探讨多通道同步采样、抗混叠滤波、模数转换（ADC）分辨率和采样率对监测数据质量的影响。 低功耗、无线数据传输技术： 重点介绍Zigbee、LoRa、NB-IoT、5G等低功耗广域网（LPWAN）技术在SHM领域的应用，以及如何克服无线通信在距离、带宽和稳定性方面的挑战。 边缘计算与分布式数据处理： 讨论将数据预处理、特征提取和初步诊断功能部署在靠近传感器端的边缘设备上，以减少数据传输量，降低延迟，并提高系统的响应速度。 物联网（IoT）平台在SHM中的集成： 探讨如何构建基于IoT的SHM平台，实现传感器网络的互联互通、数据存储、远程访问和可视化管理。 第二篇：损伤检测与识别算法 2.1 基于振动特性的损伤检测 结构的振动特性（如模态频率、振型、阻尼比）对损伤非常敏感。本篇将深入探讨利用振动响应进行损伤检测和识别的各种方法。 模态分析技术（Operational Modal Analysis, OMA）： 时域方法： 介绍随机降阶方法（Stochastic Subspace Identification, SSI）、自回归模型（ARX）等在仅使用输出响应（振动信号）时进行模态参数估计的技术。 频域方法： 讨论多参考点频率响应函数估计（FRF estimation）及其在模态参数提取中的应用。 OMA在大型结构健康监测中的应用案例： 分享在桥梁、高层建筑、风力涡轮机等结构中，利用OMA技术检测裂纹、松动、构件损伤等案例。 基于损伤指标的损伤检测： 损伤因子（Damage Indices）的定义与计算： 介绍基于模态频率变化、振型变化、曲率变化、能量变化等不同损伤指标的计算方法。 局部化损伤指标： 探讨如何通过局部化损伤指标（如局部振动模态曲率、局部能量变化）来精确定位损伤区域。 损伤指标的鲁棒性与抗噪声能力： 分析不同损伤指标在实际应用中受环境因素和测量噪声影响的程度，以及提高其鲁棒性的策略。 机器学习与深度学习在损伤识别中的应用： 监督学习方法： 介绍支持向量机（SVM）、随机森林、神经网络（NN）等模型如何通过大量已损伤和未损伤结构数据进行训练，实现对损伤类型的分类和识别。 无监督学习方法： 探讨聚类分析、异常检测等算法在未知损伤类型检测中的应用，特别是当损伤样本稀缺时。 深度学习模型（CNN, RNN, LSTM）： 重点介绍卷积神经网络（CNN）在处理振动信号的时频特征、循环神经网络（RNN）和长短期记忆网络（LSTM）在序列数据分析中的优势，以及它们在实现端到端损伤检测和诊断方面的巨大潜力。 迁移学习与小样本学习： 讨论如何利用已有模型在相似结构上的知识，来加速和改进在目标结构上的损伤识别模型训练，尤其是在数据获取困难的情况下。 2.2 基于非振动特性的损伤检测 除了振动响应，其他物理量的变化也能反映结构的损伤状态。本篇将介绍其他损伤检测方法。 基于应力/应变测量的损伤评估： 应变花与光纤光栅传感器： 讨论如何通过高密度应变传感器网络，实时监测结构应力分布，并结合有限元模型（FEM）进行损伤的定位和量化。 疲劳寿命评估： 介绍如何利用应力-应变数据，结合疲劳损伤累积模型，预测结构的剩余寿命。 基于声发射（AE）技术的损伤监测： 声发射信号的产生机理： 解释材料在裂纹扩展、塑性变形、断裂等过程中产生瞬态弹性波的物理过程。 AE信号的特征提取与分析： 讨论幅度、能量、斜率、持续时间、瞬时幅度等AE信号参数，以及如何利用这些参数区分不同损伤源。 AE源定位技术： 介绍基于到达时间差（TDOA）、波形匹配等算法，实现AE事件在结构中的三维定位，从而追踪损伤的发生和发展。 AE在复合材料、混凝土、金属结构中的应用： 分享AE技术在监测航空航合复合材料损伤、混凝土结构裂纹萌生、钢结构疲劳开裂等方面的成功案例。 基于超声波（UT）与导波（GW）的无损检测： 聚焦超声波技术： 介绍高频超声波在材料内部缺陷（如气孔、夹杂、裂纹）的探测、尺寸测量和成像方面的应用。 导波在管道和板类结构中的应用： 探讨低频导波在长距离结构（如输油管道、航空器蒙皮）内部缺陷的远距离探测和定位方面的优势。 相控阵超声（PAUT）与全聚焦技术（TFM）： 介绍这些先进的UT技术如何实现更快的扫描速度、更高的成像分辨率和更精细的缺陷表征。 基于电化学阻抗谱（EIS）与腐蚀监测： EIS在材料表面腐蚀监测中的应用： 介绍EIS如何通过测量材料在不同频率下的电化学阻抗，来评估腐蚀速率和保护涂层的性能。 智能腐蚀传感器： 探讨将EIS技术集成到传感器中，实现对钢筋、桥梁钢结构等的实时腐蚀状态监测。 第三篇：数据融合、可视化与决策支持 3.1 多源异构数据融合技术 实际的SHM系统通常会产生来自不同传感器、不同类型的数据，这些数据具有异构性（如类型、精度、采样率不同）。本篇将聚焦于如何有效地融合这些数据，以获得更全面、更准确的结构健康信息。 数据预处理与对齐： 探讨数据清洗、噪声去除、特征尺度化、时间同步等关键预处理步骤。 基于模型的数据融合： 卡尔曼滤波（KF）及其变种（EKF, UKF）： 介绍如何将传感器数据与动力学模型相结合，实现状态估计与数据融合。 粒子滤波（PF）： 讨论PF在非线性、非高斯系统状态估计与数据融合中的应用。 基于统计学的数据融合： 贝叶斯融合： 介绍如何利用贝叶斯框架，整合不同来源的概率信息，形成更可靠的联合概率分布。 证据理论（D-S证据理论）： 探讨D-S证据理论在处理不确定信息和冲突信息时的优势。 基于机器学习的数据融合： 集成学习（Ensemble Learning）： 介绍如何结合多个模型（如Bagging, Boosting, Stacking）来提高整体的预测精度和鲁棒性。 深度学习模型在多模态数据融合中的应用： 探讨如何设计能够同时处理不同类型数据的深度神经网络，实现端到端的特征提取与信息融合。 3.2 结构健康监测数据可视化与三维重建 直观、有效的数据可视化是理解复杂SHM数据、发现潜在问题的关键。 实时监测仪表板（Dashboards）： 设计直观的图表、曲线、仪表盘，实时展示结构的关键健康参数（如应力、应变、位移、振动频率）。 损伤定位与可视化： 基于有限元模型的损伤可视化： 将损伤信息映射到结构的数字模型上，直观地展示损伤的位置、大小和严重程度。 三维点云与BIM（建筑信息模型）集成： 结合激光扫描、摄影测量等技术生成结构的三维模型，并与SHM数据进行叠加，实现空间信息与健康信息的统一展示。 时空演化分析： 探索如何通过动画、时间序列图等方式，展示结构损伤随时间的发展过程，帮助评估其演变趋势。 3.3 决策支持系统与人工智能驱动的诊断 SHM系统的最终目标是为结构的维护和管理提供科学依据。本篇将聚焦于如何利用SHM数据构建智能决策支持系统。 故障诊断与剩余寿命预测： 专家系统与规则推理： 介绍基于专家知识和经验构建的诊断规则库，用于识别结构损伤的类型和原因。 机器学习驱动的诊断模型： 进一步深化机器学习在自动诊断和故障分类中的应用。 概率模型与可靠性分析： 结合不确定性量化，预测结构的剩余可靠度和剩余寿命。 智能维护策略： 预测性维护（PdM）： 基于对结构健康状态的预测，提前安排维护计划，避免突发故障，提高维护效率。 基于风险的维护（RbM）： 结合结构的重要程度、损伤的严重性以及潜在的风险，制定最优的维护决策。 人机交互与用户界面设计： 强调设计易于工程师和决策者理解和使用的界面，以便他们能够快速有效地利用SHM系统提供的决策支持信息。 第四篇：应用案例与未来挑战 4.1 典型工程结构中的SHM与NDT应用 本篇将通过一系列实际的工程应用案例，展示SHM和NDT技术在不同领域的成功实践，为读者提供直观的参考。 大型桥梁的长期健康监测： 重点介绍钢结构桥、混凝土桥、斜拉桥、悬索桥等在运营期间的健康监测策略，包括风振监测、应力应变监测、位移监测、混凝土性能评估等。 高层建筑与基础设施的SHM： 探讨地震、风荷载作用下的高层建筑动力响应监测，以及地下空间、隧道、大坝等基础设施的变形、渗漏、裂纹监测。 航空航天结构的健康监测： 介绍飞机机身、机翼、发动机部件的损伤检测与健康监测，以及复合材料结构（如风力涡轮机叶片）的无损检测与维护。 海洋工程与船舶结构的SHM： 探讨海洋平台、船舶、海底管道等在腐蚀、疲劳、冲击作用下的健康监测。 能源领域的SHM应用： 重点关注风力涡轮机、核电站、油气管道等关键能源设施的SHM系统。 4.2 未来研究方向与挑战 尽管SHM和NDT技术取得了显著进展，但仍面临诸多挑战，同时也孕育着巨大的发展机遇。 智能化与自主化： 实现SHM系统从数据采集、分析到决策的完全自主化，降低人工干预需求。 多尺度、多物理场的协同监测： 发展能够同时监测宏观结构与微观材料层面的多尺度、跨物理场（力、热、电、磁、化学）的综合监测技术。 非接触式与远程监测技术： 发展如无人机搭载传感器、雷达、激光雷达等非接触式SHM技术，实现对难以到达区域的监测。 自愈合材料与智能结构： 探索将自愈合材料和智能功能集成到结构中，实现结构损伤的自我修复和性能的动态调控。 数据安全与隐私保护： 随着SHM系统数据量的激增，数据安全和隐私保护将成为日益重要的问题。 标准化与规范化： 推动SHM与NDT技术的标准化和行业规范化，促进技术的广泛应用和互操作性。 成本效益与商业化推广： 降低SHM系统的成本，提高其经济性，使其能够被更广泛的应用于现有和新建工程中。 结语 《结构健康监测与无损评估的最新进展》一书，通过对传感器技术、数据采集、损伤检测与识别算法、数据融合、可视化以及决策支持等各个环节的深入剖析，全面展示了SHM和NDT领域最前沿的研究成果和发展趋势。本书不仅为读者提供了理论上的深度探索，更通过丰富的应用案例，展现了这些技术在保障人类工程结构安全方面的重要作用。我们相信，本书将为推动该领域的持续创新和发展，为构建更安全、更可靠的社会基础设施，做出积极的贡献。

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