西安交通大学陈雪峰、乔百杰教授团队再推新著：机械结构动载荷稀疏识别理论与方法

机械结构动载荷识别对于保障装备安全运行、提升装备可靠性与智能化水平具有至关重要的意义。在实际工程中，振动问题广泛存在于航空发动机、风力发电机、高速列车和船舶平台等关键装备中，若无法准确获取动载荷，将影响结构健康监测、振动控制与寿命预测的精度，甚至引发严重事故。因此，动载荷识别技术长期以来一直是结构动力学与振动工程领域的研究热点与难点。

振动系统的两类问题

通常来说，工程中的振动问题可由系统、激励(输入)和响应(输出)三个要素来概括，如图所示。机械结构动载荷识别是振动系统动力学响应分析的逆过程，在动力学优化设计、可靠性分析、传递路径分析、振动主动控制、机械故障诊断与结构健康监测等领域中起着关键性作用。

近年来，国家层面持续加大对高端装备基础科研的支持力度。2018 年，“动载荷识别反问题”被列入《10000 个科学难题·制造科学卷》；2021 年，《机械工程学科发展战略报告(2021～2035)》将“逆动力学建模与反问题求解基础理论与方法”列为重点研究方向；2022 年，国家自然科学基金“十四五”发展规划明确将“动力学反问题中的建模与辨识、监测与诊断”列为优先发展领域；2023 年，《中国力学2035 发展战略》更是将“复杂系统及其动态载荷识别”列为关键科学问题之首。这些战略布局充分体现了动载荷识别研究在国家科技发展中的基础性与前沿性地位。

稀疏理论

稀疏理论作为近年来信号处理与反问题领域的重要突破，为动载荷识别提供了全新视角。从数学本质而言，稀疏是指信号在某种变换下非零元素极少，具备高度集中的能量分布；从工程角度理解，冲击载荷在时域上具有短暂集中特性，简谐载荷在频域上呈现线谱稀疏性——这些先验结构为稀疏正则化的引入提供了天然条件。动载荷稀疏识别方法，可形象地比喻为“于纷杂响应中捕捉载荷本质”，其核心在于利用稀疏约束从有限响应数据中高精度、稳健地重构载荷时间历程与空间分布，可谓是“以简驭繁”的数学智慧在工程反问题中的生动实践。

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机械结构动载荷稀疏识别理论与方法购买

乔百杰 刘军江 王亚南 陈雪峰 著

北京: 科学出版社, 2026. 8

(航空发动机先进测试与故障诊断前沿丛书)

ISBN 978-7-03-085735-4

《机械结构动载荷稀疏识别理论与方法》系统阐述动载荷识别的基本理论、经典方法与前沿进展，重点聚焦稀疏正则化方法在动载荷识别中的原理、模型与算法。全书内容围绕“从传统正则化到稀疏表征，从凸松弛到非凸优化，从单源识别到多源联合重构”这一主线展开，构建一套较为完整的动载荷稀疏识别理论体系。既包含对频域法、时域法、函数逼近法等传统方法的梳理与评述，也深入介绍稀疏解卷积、稀疏表征、压缩感知等新兴方法，并结合作者团队多年来的研究成果，提出多种针对冲击载荷、简谐载荷等不同载荷形式的稀疏识别方法，最终通过仿真与试验验证方法的有效性与工程适用性。

本书具备以下特点：

一

系统构建了以稀疏性为核心特征的动载荷识别理论体系，不仅涵盖了经典的吉洪诺夫(Tikhonov)正则化等基本方法，而且重点阐述了稀疏解卷积、稀疏表征、压缩感知及非凸稀疏正则化等前沿理论，反映了该领域从l2范数到l1 /lp范数的范式转变，具有鲜明的时代性和前瞻性。

二

内容深度融合了作者在动载荷稀疏识别领域的系列创新成果，如提出的AGMC、FNCR、ADMM-GIT 等系列高效、高精度的非凸优化算法。这些方法在幅值保真、收敛速度与抗噪性能上显著优于传统方法，为解决复杂工程结构中的载荷识别难题提供了全新的技术工具。

三

内容组织逻辑严密，从基本概念、数学模型到算法实现，层层递进。尤为突出的是，书中所有核心方法均通过了从简单结构到大尺寸舰艇壳体、复合材料机身等一系列典型工程实例的系统验证，形成了理论驱动、数据验证、工程导向的完整闭环。

本书作者将稀疏正则化应用至载荷识别，长期以来孜孜不倦地进行这方面的研究。本书第五章提出的两类非凸稀疏正则化方法，从模型构建、优化求解到参数自适应，形成了一套完整、高效的冲击载荷识别技术体系，显著提升了在传感器稀缺、强噪声和大规模候选源条件下识别冲击载荷的能力，为复合材料结构健康监测提供了重要的理论支持与实用方案。

多源冲击载荷时-空联合稀疏正则化

复合材料层合板仿真模型描述

复合材料层合板多源冲击载荷识别试验设置

l1多冲击源载荷识别结果

复合材料风扇叶片试验台设置

本书研究工作得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金特别资助及装备重大基础研究项目等的资助。

本文摘编自《机械结构动载荷稀疏识别理论与方法》（乔百杰等著. 北京: 科学出版社, 2026. 8）一书“前言”“第5 章 动载荷识别参数化非凸稀疏正则化方法”，有删减修改，标题为编者所加。

(航空发动机先进测试与故障诊断前沿丛书)

ISBN 978-7-03-085735-4

杨 丹：15502918619

汤宇晨：15667011271

本书聚焦于机械结构动载荷识别典型的动力学反问题研究，围绕测量信息有限、反问题不适定、传统方法稳定性与精度不足等核心挑战，系统构建基于稀疏正则化的识别理论与算法框架，具有重要的学术价值与工程意义。首先，本书首次从稀疏建模角度统一各类动载荷识别模型，既包括标准l1正则，也拓展至非凸正则，兼顾稀疏编码能力与求解可行性，实现动载荷识别的稀疏先验建模与求解。其次，本书系统引入结构化稀疏理论，充分利用载荷之间的物理相关性与分布特征，提升多点激励反演的精度与稳定性。最后，本书通过典型工程案例验证方法的适用性，为机械结构安全评估、健康监测及优化设计等相关研究提供可靠方法。

本书在模型创新性、算法实用性及工程落地性方面具有较高的学术价值，可作为机械工程、航空航天、力学、轨道交通等领域的高年级本科生或研究生教材，也可供科研人员和工程技术人员参考。

行星轮系动力学建模与故障诊断

航空发动机叶端定时监测方法与应用

（本文编辑：刘四旦）

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