Adaptive Structural Systems with Piezoelectric Transducer Circuitry pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Wang, K. W./ Tang, J.

出品人:

页数:312

译者:

出版时间:2008-9

价格:$ 179.67

装帧:

isbn号码:9780387787503

丛书系列:

图书标签:

Adaptive Structures
Piezoelectric Materials
Transducer Circuits
Structural Health Monitoring
Vibration Control
Smart Materials
Mechatronics
Aerospace Engineering
Civil Engineering
Sensor Technology

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具体描述

Adaptive Structural Systems with Piezoelectric Transducer Circuitry provides a comprehensive discussion on the integration of piezoelectric transducers with electrical circuitry for the development and enhancement of adaptive structural systems. Covering a wide range of interdisciplinary research, this monograph presents a paradigm of taking full advantage of the two-way electro-mechanical coupling characteristics of piezoelectric transducers for structural control and identification in adaptive structural systems. Presenting descriptions of algorithm development, theoretical analysis and experimental investigation, engineers and researchers alike will find this a valuable reference.

结构动力学与先进材料：面向下一代智能基础设施的设计范式本书聚焦于结构工程的前沿交叉领域，深入探讨了如何将先进的材料科学、智能传感技术与传统的结构设计理念相结合，以应对当代基础设施所面临的复杂挑战，如疲劳、环境侵蚀和动态载荷的剧增。本书旨在为结构工程师、材料科学家以及从事智能系统集成的研究人员提供一套系统的理论框架和实践指导，用以设计、分析和运维能够自我感知、自我调节的新型结构系统。 --- 第一部分：现代结构工程的挑战与基础理论革新第一章：当代基础设施的系统性危机与韧性需求本章首先剖析了全球现有基础设施，特别是桥梁、高层建筑和能源结构所面临的结构健康退化问题。重点讨论了传统基于保守安全系数的静态设计方法的局限性，尤其是在应对地震、强风、交通疲劳等高频非周期性载荷时的不足。强调了从“被动抵抗”向“主动适应”转变的迫切性。在此基础上，系统介绍了结构韧性（Resilience）的量化指标及其在生命周期评估中的核心地位，为后续章节中引入智能控制和自适应机制奠定理论基础。深入探讨了随机振动理论在复杂环境载荷建模中的应用，包括风致颤振、地震地面运动的随机过程描述，以及如何将这些不确定性纳入到结构可靠性分析中。第二章：结构动力学基础的深化与非线性响应分析本章对经典的结构动力学理论进行了回顾与深化，尤其侧重于结构在极端载荷下的非线性行为。内容涵盖了材料层面的非线性（如塑性铰的形成、材料阻尼的应变率依赖性），以及几何非线性（如大位移、屈曲分析）。详细阐述了模态分析在复杂几何结构（如空间桁架、曲面薄壳）中的应用局限性，并介绍了子空间迭代法、Lanczos算法等先进的特征值求解技术。此外，重点讨论了阻尼的物理机制，超越了简单的粘性阻尼模型，引入了粘弹性模型、摩擦阻尼模型，为后续章节中引入外部或内置的能量耗散机制做铺垫。第三章：先进结构材料的本构关系与尺度效应本章将视角转向构建结构主体的材料科学。详细分析了高性能混凝土（HPC）、超高韧性水泥基复合材料（UHTCs）以及新型结构钢（如高强度、低屈服钢）的微观结构与宏观力学性能之间的关系。特别关注了复合材料在疲劳载荷下的损伤累积模型，如Paris-Erdogan定律的修正形式、Weibull统计模型在陶瓷基复合材料中的应用。本章还探讨了材料在极端温度（火灾、低温环境）下的性能衰减规律，并介绍了如何通过纳米填料的引入来提升传统材料的抗冲击和抗裂性能。尺度效应的讨论，从纤维和基体的界面行为，延伸到构件级别的宏观响应预测。 --- 第二部分：传感、评估与数据驱动的健康管理第四章：结构健康监测（SHM）的传感器网络设计本章系统阐述了设计高效、可靠的结构健康监测系统的基本原则。详细对比了电阻应变片、光纤布拉格光栅（FBG）、加速度计、激光多普勒测振仪等主流传感器的优缺点及其在不同结构尺度上的适用性。重点在于如何进行传感器网络的优化布局，以最小的传感器数量实现对结构关键模式和损伤位置的有效识别。探讨了无线传感器网络（WSN）的部署策略，包括能源采集、数据传输协议（如LoRa, ZigBee）的选择，以及如何处理大规模分布式传感器数据的时间同步和异构性问题。第五章：损伤识别与状态评估的信号处理方法本章深入研究了从原始振动数据中提取结构损伤信息的先进信号处理技术。内容涵盖了时域方法（如均方根、峰峰值分析）、频域方法（快速傅里叶变换FFT、功率谱密度PSD）及其在噪声环境下的局限性。重点介绍了基于模态参数识别（Modal Parameter Identification）的技术，如频域分解法（FDD）、随机子空间辨识（SSI-Cov/Data）的理论基础和实际操作流程。此外，本章详细讨论了先进的损伤定位算法，例如模态灵敏度法、频率响应函数残差法，并引入了机器学习算法（如支持向量机SVM、深度神经网络DNN）在识别复杂损伤模式中的应用潜力。第六章：基于概率和不确定性的结构可靠性分析本章回归到结构工程的核心——可靠性评估。在引入了传感器数据和实时性能评估的基础上，本章采用先进的概率方法来量化结构剩余寿命和失效概率。详细阐述了基于可靠性指标（β值）的一阶可靠性方法（FORM）和二阶可靠性方法（SORM）。重点介绍了先进的蒙特卡洛模拟（MCS）及其加速技术，如重要性抽样（IS）和子集模拟（SS），用于高效处理高维度的不确定性输入（材料参数、载荷强度）。最终目标是建立一个动态可靠性评估框架，该框架能够根据实时监测数据对结构寿命预测进行贝叶斯更新。 --- 第三部分：主动控制与系统集成策略第七章：结构振动主动控制理论与执行器原理本章专注于如何通过主动（或半主动）控制策略来提升结构的动态性能和安全性。详细介绍了经典控制理论（如LQR、PID控制）在结构减振中的应用，以及先进的鲁棒控制和自适应控制方法，用于应对结构参数的变化。本章的核心内容是控制执行器的原理与选择。深入分析了电磁驱动器、液压致动器和磁流变（MR）阻尼器的机理、响应速度、输出功率密度和非线性特性。讨论了如何将这些执行器集成到结构主梁或支撑系统中，并优化其控制律以实现对特定振动模式的抑制。第八章：半主动控制与能量耗散系统的设计优化本章侧重于能源效率和智能化程度更高的半主动控制系统。详细研究了磁流变（MR）阻尼器和粘滞流体阻尼器在不同控制算法（如最优尝试控制TTC、Skyhook控制）下的性能表现。本章将系统分析阻尼器的阻尼力-速度曲线的非线性特性，并讨论如何通过实时调整阻尼特性（例如，通过MR流体的电流控制）来动态匹配结构的实时振动状态，从而实现最佳的能量耗散效果。此外，探讨了如何利用结构自身的振动能量来驱动小型传感器或执行器，实现局部能源自持的智能结构概念。第九章：面向未来的智能结构系统集成与迭代设计流程本书的收官之章，将前述的材料、传感、评估和控制技术整合成一个完整的、可迭代的智能结构设计流程。阐述了“数字孪生”（Digital Twin）概念在结构工程中的落地方法，即如何将实时监测数据、精确的有限元模型和预测性维护算法相结合，构建一个虚拟结构副本。讨论了如何利用高保真仿真环境（如耦合了流固作用的CFD/CSD模型）来测试和验证不同控制策略的鲁棒性。最后，展望了自修复材料、仿生结构以及基于深度学习的预测性维护系统在下一代智能基础设施建设中的集成趋势和面临的工程化障碍。本书旨在引导读者超越传统的设计规范，拥抱跨学科的、数据驱动的结构工程新范式。