計(jì)算固體力學(xué)原理與方法(第2版)
定 價(jià):69 元
叢書名:北京高等教育精品教材
- 作者:邢譽(yù)峰 著
- 出版時(shí)間:2019/8/1
- ISBN:9787512430457
- 出 版 社:北京航空航天大學(xué)出版社
- 中圖法分類:O34
- 頁碼:340
- 紙張:膠版紙
- 版次:2
- 開本:16開
《計(jì)算固體力學(xué)原理與方法(第2版)》系統(tǒng)地論述了固體力學(xué)的計(jì)算原理和基本方法,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)各種近似方法的理論基礎(chǔ)、特色及其應(yīng)用技術(shù)。
該書內(nèi)容主要包括三部分,第一部分以變分原理和加權(quán)殘量法為基礎(chǔ),詳細(xì)討論有限元方法、邊界元方法、無網(wǎng)格方法和微分求積有限單元方法的基礎(chǔ)理論和構(gòu)造方法,深入分析幾種方法的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍;第二部分介紹特征值求解技術(shù)和一階及二階動(dòng)力學(xué)常微分方程的實(shí)用和新型時(shí)間積分求解方法,給出具代表性的時(shí)間積分方法的計(jì)算流程;第三部分論述非線性問題的基本理論和計(jì)算技術(shù),重點(diǎn)是彈塑性問題、大變形問題、彈性穩(wěn)定性問題和結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力問題。
該書強(qiáng)調(diào)基本概念和方法的物理背景,期望為讀者打下扎實(shí)的計(jì)算固體力學(xué)基礎(chǔ),培養(yǎng)讀者的應(yīng)用意識(shí)。該書可以作為工程力學(xué)、航空航天工程、機(jī)械工程和土木工程專業(yè)的教材,也可以作為相關(guān)工程技術(shù)人員的參考書。
固體力學(xué)內(nèi)容十分豐富,概括地說,包括線性和非線性問題、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題。線性問題是以小變形假設(shè)為前提的各種靜、動(dòng)力學(xué)問題;而非線性問題的種類繁多,例如材料非線性問題(非線性彈性和彈塑性問題等)、幾何非線性問題和多物理場(chǎng)耦合問題(流體和固體的耦合問題,電、磁、熱和結(jié)構(gòu)的耦合問題)等。
雖然固體力學(xué)的問題種類多,但其數(shù)學(xué)模型可以說是統(tǒng)一的,包括平衡方程(描述內(nèi)力和外力的平衡關(guān)系)、本構(gòu)方程(描述應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系)、幾何方程(描述應(yīng)變和位移的關(guān)系)和邊界條件以及初始條件(僅針對(duì)動(dòng)力學(xué)問題)。線性問題的數(shù)學(xué)模型是線性的。非線性問題是指j類基本方程和邊界條件中至少有一個(gè)包含了非線性因素的問題,或者數(shù)學(xué)模型是非線性的物理問題。
固體力學(xué)問題有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型,其常規(guī)數(shù)值求解方法可以概括為:把變分原理、加權(quán)殘量方法、虛功原理和Ritz方法結(jié)合形成的各種強(qiáng)有力的空間離散解法,如有限元方法、邊界元方法、無網(wǎng)格方法和有限差分方法等;以Taylor級(jí)數(shù)展開方法為基礎(chǔ)建立的動(dòng)力學(xué)常微分方程的各種時(shí)間積分方法;非線性問題的增量迭代算法等。
固體力學(xué)的豐富內(nèi)容和各種數(shù)值方法的縱橫交叉融合,使得計(jì)算固體力學(xué)的內(nèi)容異常豐富。僅僅通過一本教材來詳細(xì)闡述全部問題是不可能的,除非出版一套計(jì)算固體力學(xué)系列著作。但通過一本書來建立理論與實(shí)際應(yīng)用之間的橋梁是可能的,也是非常必要的,無論對(duì)學(xué)生、理論工作者,還是對(duì)工程技術(shù)人員都是有裨益的。
在介紹基本原理和方法的基礎(chǔ)上,本書給出了具有工程性質(zhì)或啟發(fā)性的算例,或工程應(yīng)用的建議,或可能存在的模擬問題等,希望啟迪讀者盡快了解或掌握各種計(jì)算固體力學(xué)的方法。本書以作者恩師諸德超教授的專著《升階譜有限元法》為基礎(chǔ),主要討論有限元方法、邊界元方法、無網(wǎng)格方法、微分求積有限元方法和動(dòng)力學(xué)方程及非線性方程的解法。在各章內(nèi)容編寫過程中,除了強(qiáng)調(diào)基本概念和基本方法的機(jī)理之外,還融人了新的研究成果。
第1章主要介紹變分、一階變分和二階變分等重要概念,并以梁為基礎(chǔ)介紹最小勢(shì)能和最小余能原理、廣義變分原理、一類變量和二類變量的Hamilton變分原理,介紹變分原理之間的相互轉(zhuǎn)化方法和條件。
第2章主要討論一維結(jié)構(gòu)有限元的原理和方法,根據(jù)最小總勢(shì)能原理推導(dǎo)一維桿、Euler梁和Timoshenko梁的平衡微分方程和自然邊界條件,給出這些一維構(gòu)件從低階到高階的有限元列式、固有振動(dòng)和臨界載荷的瑞利商。以典型結(jié)構(gòu)為例,把商用有限元軟件結(jié)果與理論解進(jìn)行比較和分析。
第3章主要介紹二維問題的有限元原理和方法,包括平面問題、薄板和剪切板的變分原理和有限元列式,簡(jiǎn)要介紹殼的有限元列式,給出四邊形和三角形的高斯積分公式和系數(shù)。利用商用有限元軟件對(duì)二維問題的頻率和模態(tài)、幾何非線性的作用和典型平面靜力問題進(jìn)行分析,并與解析解進(jìn)行比較。
第4章主要介紹邊界元方法的基本思想和基本概念、基本解的求解方法,針對(duì)位勢(shì)和平面彈性力學(xué)問題,介紹邊界積分方程的建立、離散和求解方法。針對(duì)常單元和線單元,給出部分邊界積分的解析表達(dá)式,并給出算例。
第5章主要介紹無網(wǎng)格方法的基本原理和方法,給出幾種構(gòu)造形函數(shù)的方法,討論弱形式、配點(diǎn)型和最小二乘無網(wǎng)格方法;給出使用無網(wǎng)格方法的主要步驟和每步中值得注意的問題,并給出算例。
第6章主要介紹動(dòng)力學(xué)常微分方程的求解方法,包括特征值求解方法、一階及二階動(dòng)力學(xué)常微分方程的時(shí)間積分求解方法,例如Lanczos算法、具有二階精度的Newmark家族辛算法、α類時(shí)間積分方法、高效精細(xì)時(shí)間積分方法和復(fù)合時(shí)間積分方法;強(qiáng)調(diào)各種算法的特點(diǎn),并給出具代表性的時(shí)間積分方法的計(jì)算流程。
第7章介紹微分求積有限單元方法,這是一種新型的高階單元方法。本章介紹微分求積法則,給出高斯一洛巴托(Gauss - Lobatto)積分公式和各種微分求積有限單元的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和載荷列向量的顯式,指出微分求積方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),并給出算例。
第8章為專題討論,主要介紹彈塑性問題、幾何非線性問題、結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定性問題及熱應(yīng)力問題的基本理論和有限元解法,簡(jiǎn)要討論非線性方程的Newton -Raphson類迭代算法,包括擬牛頓迭代法和限制增量位移向量長度的弧長法等。
全書各章均附有復(fù)習(xí)思考題,以強(qiáng)化基本概念、基本方法和基本理論;還附有適量的習(xí)題,以加深對(duì)內(nèi)容的理解和運(yùn)用。各章附有主要參考文獻(xiàn),便于讀者查閱。
第2版在對(duì)第1版內(nèi)容進(jìn)行完善的基礎(chǔ)上,與第1版的主要區(qū)別在于:第3章增加了兩節(jié)內(nèi)容,分別討論平面單元和薄板彎曲單元的結(jié)點(diǎn)精度問題;更換了第6.2節(jié)和第6.3節(jié)的標(biāo)題,重新撰寫了這兩節(jié)關(guān)于時(shí)間積分方法的內(nèi)容,給出了主要方法的計(jì)算流程和高精度快速時(shí)間積分方法的MATLAB通用模塊;增補(bǔ)了部分習(xí)題,并在書后給出了多數(shù)習(xí)題的參考答案。
緒論
參考文獻(xiàn)
第1章 變分原理
1.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)理論基礎(chǔ)
1.1.1 胡克定律及推論
1.1.2 應(yīng)變能正定性的應(yīng)用
1.1.3 最小余能原理
1.1.4 最小勢(shì)能原理
1.2 一階變分和二階變分
1.2.1 變分與微分
1.2.2 一階和二階變分
1.3 廣義變分原理
1.3.1 虛位移原理——最小勢(shì)能原理
1.3.2 胡海昌一鷲津三類變量廣義變分原理
1.3.3 Hellinger-Reissner二類變量廣義變分原理
1.3.4 最小余能原理——虛應(yīng)力原理
1.3.5 變分原理反映的客觀規(guī)律
1.3.6 變分原理與有限單元類型的關(guān)系
1.4 Hamilton變分原理
1.4.1 一類變量的Hamilton原理
1.4.2 二類變量的Hamilton原理
復(fù)習(xí)思考題
習(xí) 題
參考文獻(xiàn)
第2章 一維結(jié)構(gòu)有限元
2.1 拉壓桿
2.1.1 最小總勢(shì)能原理和彈性力學(xué)基本方程
2.1.2 經(jīng)典里茲法
2.1.3 瑞利商變分式
2.1.4 等應(yīng)變桿元
2.1.5 高階桿元
2.1.6 升階譜桿元
2.2 直梁
2.2.1 平衡微分方程
2.2.2 最小總勢(shì)能原理和瑞利商
2.2.3 三次梁元
2.2.4 高階梁元
2.2.5 升階譜梁元
2.2.6 功的互等定理及其應(yīng)用
2.3 剪切梁
2.3.1 平衡微分方程
2.3.2 最小總勢(shì)能原理和瑞利商
2.3.3 三結(jié)點(diǎn)剪切梁?jiǎn)卧?br>2.3.4 二結(jié)點(diǎn)升階譜剪切梁?jiǎn)卧?br>2.3.5 二結(jié)點(diǎn)剪切梁?jiǎn)卧?br>2.4 空間梁?jiǎn)卧?br>2.4.1 平面桿和梁?jiǎn)卧?br>2.4.2 局部坐標(biāo)系下的空間梁?jiǎn)卧?br>2.4.3 空間梁?jiǎn)卧淖鴺?biāo)變換矩陣
2.5 數(shù)值模擬問題討論
2.5.1 使用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的步驟
2.5.2 NASTRAN中的一維單元
2.5.3 例題分析與結(jié)論
復(fù)習(xí)思考題
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第3章 二維結(jié)構(gòu)有限元
3.1 平面彈性力學(xué)問題
3.1.1 最小總勢(shì)能原理和瑞利商
3.1.2 矩形單元
3.1.3 三角形單元
3.1.4 曲邊單元
3.1.5 平面矩形單元的結(jié)點(diǎn)位移精度
3.2 薄板彎曲問題
3.2.1 基本公式
3.2.2 坐標(biāo)變換
3.2.3 最小總勢(shì)能原理和平衡方程
3.2.4 矩形彎曲單元
3.2.5 三角形彎曲單元
3.2.6 完全協(xié)調(diào)三角形彎曲單元
3.2.7 平面彈性與薄板彎曲問題的相似性
……
第4章 邊界元方法
第5章 無網(wǎng)格方法
第6章 動(dòng)力學(xué)方程的解法
第7章 微分求積有限單元方法
第8章 專題討論
部分習(xí)題解答