《計算固體力學原理與方法(第2版)》系統(tǒng)地論述了固體力學的計算原理和基本方法,重點強調(diào)各種近似方法的理論基礎、特色及其應用技術。
該書內(nèi)容主要包括三部分,第一部分以變分原理和加權殘量法為基礎,詳細討論有限元方法、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理論和構造方法,深入分析幾種方法的特點及其應用范圍;第二部分介紹特征值求解技術和一階及二階動力學常微分方程的實用和新型時間積分求解方法,給出具代表性的時間積分方法的計算流程;第三部分論述非線性問題的基本理論和計算技術,重點是彈塑性問題、大變形問題、彈性穩(wěn)定性問題和結構熱應力問題。
該書強調(diào)基本概念和方法的物理背景,期望為讀者打下扎實的計算固體力學基礎,培養(yǎng)讀者的應用意識。該書可以作為工程力學、航空航天工程、機械工程和土木工程專業(yè)的教材,也可以作為相關工程技術人員的參考書。
固體力學內(nèi)容十分豐富,概括地說,包括線性和非線性問題、靜力學和動力學問題。線性問題是以小變形假設為前提的各種靜、動力學問題;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耦合問題(流體和固體的耦合問題,電、磁、熱和結構的耦合問題)等。
雖然固體力學的問題種類多,但其數(shù)學模型可以說是統(tǒng)一的,包括平衡方程(描述內(nèi)力和外力的平衡關系)、本構方程(描述應力和應變的關系)、幾何方程(描述應變和位移的關系)和邊界條件以及初始條件(僅針對動力學問題)。線性問題的數(shù)學模型是線性的。非線性問題是指j類基本方程和邊界條件中至少有一個包含了非線性因素的問題,或者數(shù)學模型是非線性的物理問題。
固體力學問題有統(tǒng)一的數(shù)學模型,其常規(guī)數(shù)值求解方法可以概括為:把變分原理、加權殘量方法、虛功原理和Ritz方法結合形成的各種強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級數(shù)展開方法為基礎建立的動力學常微分方程的各種時間積分方法;非線性問題的增量迭代算法等。
固體力學的豐富內(nèi)容和各種數(shù)值方法的縱橫交叉融合,使得計算固體力學的內(nèi)容異常豐富。僅僅通過一本教材來詳細闡述全部問題是不可能的,除非出版一套計算固體力學系列著作。但通過一本書來建立理論與實際應用之間的橋梁是可能的,也是非常必要的,無論對學生、理論工作者,還是對工程技術人員都是有裨益的。
在介紹基本原理和方法的基礎上,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算固體力學的方法。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,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力學方程及非線性方程的解法。在各章內(nèi)容編寫過程中,除了強調(diào)基本概念和基本方法的機理之外,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,并以梁為基礎介紹最小勢能和最小余能原理、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章主要討論一維結構有限元的原理和方法,根據(jù)最小總勢能原理推導一維桿、Euler梁和Timoshenko梁的平衡微分方程和自然邊界條件,給出這些一維構件從低階到高階的有限元列式、固有振動和臨界載荷的瑞利商。以典型結構為例,把商用有限元軟件結果與理論解進行比較和分析。
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行分析,并與解析解進行比較。
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,針對位勢和平面彈性力學問題,介紹邊界積分方程的建立、離散和求解方法。針對常單元和線單元,給出部分邊界積分的解析表達式,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,給出幾種構造形函數(shù)的方法,討論弱形式、配點型和最小二乘無網(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章主要介紹動力學常微分方程的求解方法,包括特征值求解方法、一階及二階動力學常微分方程的時間積分求解方法,例如Lanczos算法、具有二階精度的Newmark家族辛算法、α類時間積分方法、高效精細時間積分方法和復合時間積分方法;強調(diào)各種算法的特點,并給出具代表性的時間積分方法的計算流程。
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和優(yōu)勢,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、結構彈性穩(wěn)定性問題及熱應力問題的基本理論和有限元解法,簡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。
全書各章均附有復習思考題,以強化基本概念、基本方法和基本理論;還附有適量的習題,以加深對內(nèi)容的理解和運用。各章附有主要參考文獻,便于讀者查閱。
第2版在對第1版內(nèi)容進行完善的基礎上,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點精度問題;更換了第6.2節(jié)和第6.3節(jié)的標題,重新撰寫了這兩節(jié)關于時間積分方法的內(nèi)容,給出了主要方法的計算流程和高精度快速時間積分方法的MATLAB通用模塊;增補了部分習題,并在書后給出了多數(shù)習題的參考答案。
緒論
參考文獻
第1章 變分原理
1.1 結構力學理論基礎
1.1.1 胡克定律及推論
1.1.2 應變能正定性的應用
1.1.3 最小余能原理
1.1.4 最小勢能原理
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
復習思考題
習 題
參考文獻
第2章 一維結構有限元
2.1 拉壓桿
2.1.1 最小總勢能原理和彈性力學基本方程
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用
2.3 剪切梁
2.3.1 平衡微分方程
2.3.2 最小總勢能原理和瑞利商
2.3.3 三結點剪切梁單元
2.3.4 二結點升階譜剪切梁單元
2.3.5 二結點剪切梁單元
2.4 空間梁單元
2.4.1 平面桿和梁單元
2.4.2 局部坐標系下的空間梁單元
2.4.3 空間梁單元的坐標變換矩陣
2.5 數(shù)值模擬問題討論
2.5.1 使用有限元軟件進行結構分析的步驟
2.5.2 NASTRAN中的一維單元
2.5.3 例題分析與結論
復習思考題
習題
參考文獻
第3章 二維結構有限元
3.1 平面彈性力學問題
3.1.1 最小總勢能原理和瑞利商
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 平面矩形單元的結點位移精度
3.2 薄板彎曲問題
3.2.1 基本公式
3.2.2 坐標變換
3.2.3 最小總勢能原理和平衡方程
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 動力學方程的解法
第7章 微分求積有限單元方法
第8章 專題討論
部分習題解答