东北大学资助 土木工程数值计算方法与仿真技术 梁摇力摇李摇明摇编著 东北大学出版社 沈摇阳 摇 梁摇力摇李摇明 圆园园愿 ? 摇图书在版编目(悦陨孕)数据 摇土木工程数值计算方法与仿真技术 辕梁力,李明编著援—沈阳:东北大学出版社,圆园园愿郾怨 摇陨杂月晕怨苑愿鄄苑鄄愿员员园圆鄄缘怨猿鄄源 摇 郾土…摇郾梁… 李…摇郾土木工程—数值计算—计算方法 土木工程—计算 Ⅰ Ⅱ ① ② Ⅲ ① ② 机仿真摇 郾栽哉苑员 Ⅳ 摇中国版本图书馆悦陨孕数据核字(圆园园愿)第员圆园源圆远号 摇 摇出 版者:东北大学出版社 地址:沈阳市和平区文化路猿号巷员员号 邮编:员员园园园源 电话:园圆源—愿猿远愿苑猿猿员(市场部)摇愿猿远愿园圆远苑(社务室) 传真:园圆源—愿猿远愿园员愿园(市场部)摇愿猿远愿园圆远缘(社务室) 耘鄄皂葬蚤造:灶藻怎责澡岳 灶藻怎责则藻泽泽郾糟燥皂 澡贼贼责: 憎憎憎郾灶藻怎责则藻泽泽郾糟燥皂 ∥ 摇印 刷者:沈阳中科印刷有限责任公司 摇发 行者:东北大学出版社 摇幅面尺寸:员愿源mm 伊圆远园mm 摇印摇摇张:员猿郾缘 摇字摇摇数:猿源远千字 摇出版时间:圆园园愿年怨月第员版 摇印刷时间:圆园园愿年怨月第员次印刷 摇责任编辑:冯淑琴摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇责任校对:张丽萍 摇封面设计:唐敏智 责任出版:杨华宁 摇摇ISBN 怨苑愿苑愿员员园圆缘怨猿源 定摇摇价:圆愿郾园园元 ·1 · 前摇摇言 土木工程是建造各类工程设施的科学技术的总称。它涉及到人类生活、生 产活动有关的各类工程设施,如建筑工程、公路与城市道路工程、铁路工程、 桥梁工程、隧道工程等方面,它在任何一个国家的国民经济中都占有重要的地 位。土木工程科研人员在注重试验研究的同时,也进行大量的数值仿真理论及 应用的研究。数值仿真是利用各种数值理论对工程结构物理变化过程进行逼真 的模拟,分析结构各个阶段所处的物理状态。数值仿真的实现,使土木工程科 研人员在无需进行大型的试验条件情况下,根据以往研究成果,通过计算机仿 真能为土木工程设计、防灾减灾提供理论分析依据和设计方案。由于土木工程 理论研究和数值模拟仿真研究的深入,使有限元技术和计算机图形、图像技术、 可视化等技术相结合得到了发展,为土木工程的理论分析提供了可视化分析平 台和应用空间。 本书根据东北大学近年来为土木工程专业本科生和研究生开设的有限元数 值分析及应用的课程的内容编著而成。东北大学土木工程研究所开设的“有限 元法及程序设计”及“大型有限元分析软件在工程中的应用”课程已近十年, 并在有限元数值分析理论及其在土木工程应用方面取得了一定成果。编写本书 的主要目的是为本科生和研究生进行土木工程的有限元分析打下坚实的基础, 既注意到了力学分析上的基础性,又侧重土木工程应用上的实用性,比较系统 地阐述了有限元数值分析基本理论和工程应用的基本方法,对以往土木工程数 值分析的科研成果进行了分类总结,形成了多个实用的数值分析实例。该书在 强调基本理论的同时,更注重有限元技术在土木工程中的实际应用,同时本书 在编著过程中,努力使理论和实际应用相结合,尽可能地反映国内外的最新研 究成果及进展情况,以便使读者能对有限元数值分析理论和方法及应用有比较 全面、深入的了解。书中的算例是作者和他的研究生们多年来的部分科研成果, 已经通过反复调试和多次使用,可为读者学习提供参考范例。 本书主要内容包括有限元数值分析的基本理论与仿真技术原理、有限元非 线性方程求解理论、土木工程各类问题分析基本理论。本书是按照用有限元方 ·2 · 土木工程数值计算方法与仿真技术 法分析具体工程问题的原理和过程来编写的,突出了有限元数值仿真的前后处 理方法、有限元计算误差估计和自适应性分析方法,并比较详细的介绍土木工 程数值仿真分析应用实例,还专门说明了应用这些程序对土木建模和分析的有 关技巧。本书所使用的大型粤晕杂再杂软件得到了粤晕杂再杂公司的授权。 本书的出版得到了东北大学教务处的资助和出版社的大力支持,由梁力教 授主持编著,研究中心的研究生张道明、李明、王伟、王常剑、赵军、李鑫等 参与了本书的部分编写工作。在本书出版之际,对他们表示衷心的感谢。 由于作者水平有限,加之有限元数值分析方法发展迅速,书中难免有不足 之处,热忱欢迎读者批评指正。 作摇者 圆园园愿年元月于东北大学 ·员· 目摇摇录 第员章摇绪摇论!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员 摇摇员郾员摇有限元数值计算方法及其工程应用 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员 摇摇员郾圆摇计算机仿真技术的意义与趋势 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿 摇摇员郾猿摇现代计算机协同仿真技术与发展 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘 摇摇员郾源摇土木工程数值计算与仿真分析软件简介 !!!!!!!!!!!!!!!!! 远 第圆章摇有限元数值计算和仿真技术的理论与方法!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨 摇摇圆郾员摇弹性力学的基本理论与基本方程 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨 圆郾员郾员摇弹性力学中的基本概念 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨 圆郾员郾圆摇弹性力学中的基本假定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员园 圆郾员郾猿摇弹性力学的两种平面问题 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员 圆郾员郾源摇平面问题的基本方程与边界条件 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆 圆郾员郾缘摇圣维南原理与叠加原理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员源 摇摇圆郾圆摇有限元数值分析的基本理论与方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员源 圆郾圆郾员摇有限单元离散 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员缘 圆郾圆郾圆摇位移模式与形函数 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员远 圆郾圆郾猿摇虚位移原理与虚功方程 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员怨 圆郾圆郾源摇单元刚度矩阵与整体刚度矩阵 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆园 圆郾圆郾缘摇计算荷载的种类与数值处理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆圆 摇摇圆郾猿摇多媒体技术与实现仿真的基本方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆猿 圆郾猿郾员摇多媒体技术简介 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆猿 圆郾猿郾圆摇多媒体协同设计环境 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆源 圆郾猿郾猿摇工程研究的多媒体仿真分析 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆源 摇摇圆郾源摇线性与非线性有限元数值求解方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆源 圆郾源郾员摇线性代数方程组的求解 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆缘 圆郾源郾圆摇工程中的非线性问题及特点 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆苑 圆郾源郾猿摇非线性方程组的求解 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 圆苑 摇摇圆郾缘摇结构局部与整体稳定问题的数值分析!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿员 圆郾缘郾员摇结构屈曲基本原理及分类 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿员 圆郾缘郾圆摇结构稳定问题计算方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿员 圆郾缘郾猿摇有限元求解结构屈曲的基本方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿圆 圆郾缘郾源摇应用粤晕杂再杂求解结构屈曲的实现 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿猿 圆郾缘郾缘摇非线性屈曲分析的具体注意事项 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿远 ·圆· 土木工程数值计算方法与仿真技术 摇摇圆郾远摇岩土工程问题稳定性数值分析方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿苑 圆郾远郾员摇瑞典圆弧法计算原理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 猿愿 圆郾远郾圆摇毕肖普法计算原理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源园 圆郾远郾猿摇简布的普遍条分法计算原理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源员 摇摇圆郾苑摇动力学问题的基本方程与求解方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源圆 圆郾苑郾员摇动力响应及荷载类型 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源圆 圆郾苑郾圆摇振动问题与波动问题 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源猿 圆郾苑郾猿摇动力响应基本方程与波动问题的求解 !!!!!!!!!!!!!!!!! 源猿 摇摇圆郾愿摇渗流与地震反应问题的数值求解方法!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源缘 圆郾愿郾员摇渗流问题的数值求解方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源缘 圆郾愿郾圆摇地震反应分析的数值求解方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 源苑 摇摇圆郾怨摇有限元并行计算技术及应用前景!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘园 圆郾怨郾员摇单元分析的并行计算 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘员 圆郾怨郾圆摇总体刚度矩阵的并行装配 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘圆 圆郾怨郾猿摇约束条件的并行处理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘圆 摇摇圆郾员园摇参数化设计方法与用户可编程特性 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘猿 圆郾员园郾员摇参数化设计语言粤孕阅蕴!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘猿 圆郾员园郾圆摇参数化设计宏文件 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘源 圆郾员园郾猿摇粤晕杂再杂的用户可编程特性 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘缘 第猿章摇有限元数值计算与仿真分析的前处理方法 !!!!!!!!!!!!!!!! 缘苑 摇摇猿郾员摇土木工程的力学模型与有限元网格!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘苑 猿郾员郾员摇杆件系统 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘苑 猿郾员郾圆摇平面应力与平面应变问题 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘愿 猿郾员郾猿摇轴对称问题的简化处理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘愿 猿郾员郾源摇半空间与全空间问题 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘愿 摇摇猿郾圆摇力学模型与仿真模型图形数字化!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘愿 猿郾圆郾员摇数字化产品建模 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 缘愿 猿郾圆郾圆摇二维建模 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远园 猿郾圆郾猿摇三维建模 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远圆 摇摇猿郾猿摇有限单元法的单元类型及特点!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远源 猿郾猿郾员摇有限元法的单元类型 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远缘 猿郾猿郾圆摇一维单元 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远远 猿郾猿郾猿摇二维单元 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远苑 猿郾猿郾源摇三维单元 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远愿 摇摇猿郾源摇无限单元、节理单元与离散元!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远怨 猿郾源郾员摇无限单元 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 远怨 猿郾源郾圆摇节理单元 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 苑园 猿郾源郾猿摇离散元 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 苑猿 摇摇猿郾缘摇有限元网格生成的基本方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 苑源 猿郾缘郾员摇结构化网格与自动生成方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 苑源 猿郾缘郾圆摇非结构化网格与自动生成方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 愿猿 目摇摇录 ·猿· 猿郾缘郾猿摇半结构化网格与自动生成 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 愿怨 摇摇猿郾远摇自适应网格特点与无网格技术!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨员 猿郾远郾员摇自适应网格的特点!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨员 猿郾远郾圆摇无网格技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨猿 摇摇猿郾苑摇粤晕杂再杂软件前处理应用实例 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨源 猿郾苑郾员摇问题的描述 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨源 猿郾苑郾圆摇创建几何模型 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨源 猿郾苑郾猿摇设置单元属性 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨缘 猿郾苑郾源摇分网控制和分网 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨苑 第源章摇有限元数值计算误差估计与自适应分析方法 !!!!!!!!!!!!!!! 怨怨 摇摇源郾员摇有限元数值计算的误差来源与估算方法!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨怨 源郾员郾员摇有限元数值计算的主要误差来源 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨怨 源郾员郾圆摇有限元计算的后误差估计方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 怨怨 摇摇源郾圆摇有限元计算的网格修正自适应分析方法 !!!!!!!!!!!!!!!! 员园员 源郾圆郾员摇新网格单元节点几何参数的修正计算 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员园圆 源郾圆郾圆摇动力学计算中的自适应分析方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 员园猿 摇摇源郾猿摇有限元自适应分析的数值计算实例 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 员园愿 第缘章摇有限元数值计算与仿真分析的后处理方法!!!!!!!!!!!!!!!! 员员圆 摇摇缘郾员摇有限元计算与仿真的可视化技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员圆 缘郾员郾员摇可视化技术的基本概念 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员圆 缘郾员郾圆摇可视化技术的处理方式 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员猿 缘郾员郾猿摇有限元计算结果的后处理方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员源 缘郾员郾源摇实时跟踪方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员远 摇摇缘郾圆摇计算机仿真的图形技术与动画 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员远 缘郾圆郾员摇计算机仿真的图形技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员苑 缘郾圆郾圆摇计算机仿真动画技术!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员员怨 摇摇缘郾猿摇有限元后处理系统的数据管理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆员 缘郾猿郾员有限元后处理系统数据管理的特点 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆员 缘郾猿郾圆摇有限元结构模型数据的管理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆圆 缘郾猿郾猿摇计算结果数据的管理!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆猿 摇摇缘郾源摇有限元计算中的优化设计方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆源 缘郾源郾员摇最优化基本理论 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆源 缘郾源郾圆摇优化设计技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆缘 缘郾源郾猿摇拓扑优化技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆远 摇摇缘郾缘摇有限元计算后处理应用实例 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆苑 缘郾缘郾员摇粤晕杂再杂软件的通用后处理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员圆苑 缘郾缘郾圆摇粤晕杂再杂软件的时间历程后处理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员猿员 第远章摇土木工程数值计算与仿真技术应用实例!!!!!!!!!!!!!!!!! 员猿猿 摇摇远郾员摇大型钢桥架结构强度与稳定性分析 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 员猿猿 ·源· 土木工程数值计算方法与仿真技术 远郾员郾员摇工程背景 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 员猿猿 远郾员郾圆摇分析步骤 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 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