編輯推薦
本書是筆者二十多年來在同濟大學從事這門課程教學所用教材的基礎上寫成的。書中主要包括三方麵的內容:一是杆係結構矩陣分析的原理,包括結構靜力分析的矩陣方法和動力、穩定性和非綫性分析的有限單元法;二是結構分析程序的設計原理與應用軟件,包括平麵桁架、平麵剛架靜力分析和剛架動力、穩定性分析程序的設計與應用軟件,以及結構非綫性分析程序的設計原理;三是結閤微型計算機介紹上述結構計算程序的工程應用。
內容簡介
《計算結構力學》主要介紹杆係結構矩陣分析的基本原理、結構分析程序的設計方法以及計算程序的實際應用等三方麵的內容,旨在使讀者學會結構的計算機分析。全書共分7章,分彆介紹杆係結構靜力分析的矩陣方法和動力、穩定性和非綫性分析的有限單元法;平麵桁架、平麵剛架靜力分析和剛架動力、穩定性分析程序的設計與應用以及結構非綫性分析程序的設計方法等。書中配有上機實習指導材料,各章均有豐富的例題和習題。《計算結構力學》可作為高等工業院校工程結構類和力學類等專業“計算結構力學”課程的教學用書,也可供有關專業工程技術人員參考。
作者簡介
硃慈勉(Zhu Cirrilan),同濟大學土木工程學院教授,工學博士,博士研究生導師,結構力學研究室主任,曾任國傢教育部高等學校力學基礎課程教學指導分委員會委員,上海市土木工程學會會員,國傢一級注冊結構工程師。1 970年畢業於清華大學工程力學數學係固體力學專業,此後在國傢第一機械工業部第八設計院從事結構設計工作,1 978年進入同濟大學。長期從事結構力學和計算結構力學等課程的教學和結構工程領域的科學研究與工程實踐,曾多次獲得國傢級和上海市科技進步奬和教學成果奬,發錶學術論文數十篇。提齣瞭“概念結構力學”與“計算結構力學”並進的學科發展思想,並付諸於教學和工程實踐。2003年獲上海市高等學校教學名師奬。主編“十五”國傢級規劃教材《結構力學》(上、下冊),於2007年獲上海市高等學校優秀教材一等奬。2005年硃慈勉教授負責的結構力學課程被教育部列為國傢級精品課程,2008年負責的計算結構力學與應用軟件課程被列為上海市高等學校精品課程。
吳字清(Wu Yuqing),同濟大學土木工程學院副教授,碩士研究生導師,1 992年於颱灣中原大學建築工程係畢業,2002年在美國科羅拉多州州立大學土木工程係獲博士學位,此後在清華大學工程力學係固體力學研究所擔任為期兩年的博士後研究員。曾為美國國傢科學基金項目的主要成員,主要研究方嚮為計算固體力學。
內頁插圖
目錄
前言
主要符號錶
第1章 緒論
第2章 結構靜力分析的矩陣方法
2.1 概述
2.2 矩陣位移法的基本原理
2.3 單元剛度矩陣
2.3.1 桁架單元的剛度矩陣
2.3.2 剛架單元的剛度矩陣
2.3.3 單元剛度矩陣的性質與特點
2.4 直接剛度法
2.5 直接剛度法的計算機處理
2.5.1 總剛度矩陣的計算機存儲
2.5.2 位移邊界條件的處理
2.6 直接剛度法的另一種形式——先處理法
2.7 等效結點荷載
2.8 子結構法
2.9 矩陣力法的基本原理
習題
第3章 平麵桁架靜力分析程序設計與應用
3.1 概述
3.2 平麵桁架靜力分析主程序
3.3 平麵桁架靜力分析子程序及其功能
3.3.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,Al,IB,REAC)
3.3.2 子程序ASSEM(X,Y,NCO,PROP,TK,ELST,AL)
3.3.3 子程序STIFF(NEL,X,Y,PROP,NCO,ELST,AL)
3.3.4 子程序ELASS(NEL,NCO,TM,ELMAT)
3.3.5 子程序BOUND(TK,AL,REAC,IB)
3.3.6 子程序SLBSI(A,B,D,N,MS,NX,MX)
3.3.7 子程序FORCE(NCO,PROP,FORC,REAC,X,Y,AL)
3.3.8 子程序OUTPT(AL,FORC,REAC)
3.4 平麵桁架靜力分析程序的應用
習題
第4章 平麵剛架靜力分析程序設計與應用
4.1 概述
4.2 平麵剛架靜力分析主程序
4.3 平麵剛架靜力分析子程序及其功能
4.3.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,AL,IB,REAC)
4.3.2 子程序STIFF(NEL,X,Y,PROP,NCO,ELST,AL)
4.3.3 子程序BTAB3(A,B,V,N,NX)
4.3.4 子程序FORCE(NCO,PROP,FORC,REAC,X,Y,AL)
4.3.5 子程序OUTPT(NCO,AL,FORC,REAC)
4.4 平麵剛架靜力分析程序的應用
習題
第5章 結構動力分析和程序設計與應用
5.1 概述
5.2 結構動力分析的有限單元法
5.3 用虛功原理推導單元剛度矩陣
5.3.1 用結點位移錶達單元的位移模式
5.3.2 用結點位移錶達單元的應變和應力
5.3.3 由虛功原理導齣剛架單元的剛度矩陣
5.4 用虛功原理推導等效結點荷載
5.5 剛架單元的質量矩陣
5.6 結構動力分析有限單元法示例
5.7 求解特徵值問題的雅可比法
5.8 平麵剛架動力分析程序概述
5.9 平麵剛架動力分析主程序
5.10 平麵剛架動力分析子程序及其功能
5.10.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,IUNK)
5.10.2 子程序ASSEM(X,Y,NCO,PROP,TK,TM,ELST,ELMA,IUNK)
5.10.3 子程序EMASS(NEL,X,Y,PROP,NCO,ELMA)
5.10.4 子程序ELASS(NEL,NCO,IUNK,ELST,ELMA,TK,TM)
5.10.5 子程序EIGG(A,B,H,V,ERR,N,NX)
5.10.6 子程序DECOG(A,N,NX)
5.10.7 子程序INVCH(S,A,N,NX)
5.10.8 子程序JACOB(A,V,ERR,N,NX)
5.10.9 子程序MATMB(A,B,V,N,NX)
5.10.10 子程序0UTPT(TK,TM)
5.11 平麵剛架動力分析程序的應用
習題
第6章 結構穩定性分析和程序設計與應用
6.1 概述
6.2 結構穩定性分析的有限單元法
6.3 單元初應力矩陣
6.4 結構穩定性分析有限單元法示例
6.5 平麵剛架穩定性分析程序概述
6.6 平麵剛架穩定性分析主程序
6.7 平麵剛架穩定性分析子程序及其功能
6.7.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,IUNK,ALP)
6.7.2 子程序ASSEM(X,Y,NCO,PROP,TK,TM,ELST,ELGE,IUNK,ALP)
6.7.3 子程序EGEOM(NEL,X,Y,ALP,NCO,ELGE)
6.7.4 子程序ELASS(NEL,NCO,IUNK,ELST,ELGE,TK,TM,ALP)
6.7.5 子程序0UTPT(TK,TM)
6.8 平麵剛架穩定性分析程序的應用
習題
第7章 結構非綫性分析和程序設計
7.1 概述
7.2 結構幾何非綫性分析的有限單元法
7.2.1 帶有流動坐標的迭代法
7.2.2 總體的拉格朗日(Lagrange)列式法
7.3 單元的切綫剛度矩陣
7.3.1 桁架單元的切綫剛度矩陣
7.3.2 剛架單元的切綫剛度矩陣
7.4 非綫性方程的求解
7.4.1 直接求解法
7.4.2 簡單增量法
7.4.3 自校正增量法
7.4.4 牛頓-拉夫森(Newton-Paphson)法
7.5 結構的塑性分析
7.6 結構非綫性分析程序設計
習題
附錄Ⅰ 上機實習資料
實習1 平麵桁架靜力分析程序的應用
1.1 實習目的與要求
1.2 操作提示
1.3 計算模型與數據填寫
實習2 用乘大數法處理位移邊界條件程序設計
2.1 實習目的與要求
2.2 操作提示
2.3 源程序修改提示
實習3 平麵剛架靜力分析程序的應用
3.1 實習目的與要求
3.2 操作提示
3.3 計算模型與數據填寫
實習4 有結間荷載作用時剛架分析程序的設計
4.1 實習目的與要求
4.2 操作提示
4.3 源程序修改提示
實習5 平麵剛架動力分析程序的應用
5.1 實習目的與要求
5.2 操作提示
5.3 計算模型與數據填寫
實習6 平麵剛架穩定性分析程序的應用
6.1 實習目的與要求
6.2 操作提示
6.3 計算模型與數據填寫
附錄Ⅱ 結構計算程序
程序1 平麵桁架靜力分析程序(FORTRAN 95,C++)
程序2 平麵剛架靜力分析程序(FORTRAN 95,C++)
程序3 平麵剛架動力分析程序(FORTRAN 95,C++)
程序4 平麵剛架穩定性分析程序(FORTRAN 95,C++)
附錄Ⅲ 習題部分答案或提示
附錄Ⅳ 索引
主要參考文獻
精彩書摘
在結構力學課程中已介紹瞭力法和位移法這兩種基本的結構分析方法。按照這兩種分析方法,求解原結構的問題最終都轉化為求解一組綫性代數方程的問題。當結構的杆件數量增加時,方程組的未知量數目通常也會隨之增多,用手工求解就變得十分睏難。於是,齣現瞭通過數值運算求解結構的各種漸近法,如力矩分配法、迭代法等;以及對結構作某種簡化後再行求解的近似計算法,如剪力分配法、D值法等。然而,這些實用計算方法都是建立在手算基礎之上的,引入瞭諸如忽略杆件軸嚮變形的影響、無結點綫位移存在或橫梁剛度遠大於柱的剛度等項假定,其適用範圍一般比較窄小,或是所得齣的結果帶有一定的誤差;而且,這些方法也很難拓展到結構的動力、穩定性以及非綫性分析的問題中去,其結構分析的過程也不容易規一化。因此,在研究如何運用電子計算機進行結構分析的問題時,考慮的齣發點又需要迴到力法、位移法這樣帶有根本性和普遍適用性的方法上來。
結構矩陣分析方法實際上就是將結構分析的基本原理和方法用矩陣代數的形式錶達齣來並進行求解。這樣,不僅可以使結構力學的原理和分析過程錶達得十分簡潔,更為重要的是可使結構的力學分析過程充分地規一化,便於電子計算機程序的編製。與結構力學中的力法和位移法這兩種最基本的方法相對應,結構的矩陣分析方法也可以分為矩陣力法和矩陣位移法這兩大基本類型。
當用力法分析超靜定結構時,對於同一個結構可以采用不同形式的基本結構。這樣就使分析過程與基本結構的選定聯係在一起。而用位移法分析時,對應一定的結構,基本結構的形式在實質上是確定的。此外,力法不能直接運用於求解靜定結構,而位移法對於求解超靜定結構和靜定結構是同樣適用的,其求解過程也完全相同。由此可見,位移法的分析過程比力法的分析過程更容易規一化,也就更適宜於用電子計算機來實現其分析過程。因此,矩陣位移法就成為計算結構力學中一種最為基本的分析方法,這一方法無論在杆件體係還是連續體結構的分析中都獲得最為廣泛的應用。本章先著重介紹矩陣位移法的基本原理和分析過程,然後再簡要介紹有關矩陣力法的基本原理。有關矩陣力法的簡要介紹也是為讀者日後有機會瞭解連續體有限單元力法和混閤法打下基礎。
前言/序言
現代工程技術的日益進步和電子計算機的飛速發展對結構分析的理念與方法産生瞭深遠的影響。一方麵,大型工程結構在各種復雜因素作用下的分析要求強化結構力學基本概念的綜閤運用和概念設計的理念;另一方麵,運算能力的劇增要求發展與之相適應的結構分析理論和方法,這就促進瞭傳統結構力學嚮概念結構力學和計算結構力學兩個方嚮的縱深發展。發展的形勢要求結構工程師和研究人員必須具備熟練地運用計算機進行結構分析的能力。“計算結構力學”的發展正是適應瞭這種需要,它已成為高等工業院校工程結構類和力學類等專業學生的必修課程。
本書是筆者二十多年來在同濟大學從事這門課程教學所用教材的基礎上寫成的。書中主要包括三方麵的內容:一是杆係結構矩陣分析的原理,包括結構靜力分析的矩陣方法和動力、穩定性和非綫性分析的有限單元法;二是結構分析程序的設計原理與應用軟件,包括平麵桁架、平麵剛架靜力分析和剛架動力、穩定性分析程序的設計與應用軟件,以及結構非綫性分析程序的設計原理;三是結閤微型計算機介紹上述結構計算程序的工程應用。
本書將上述三方麵的內容有機地結閤起來,使讀者能較快地學以緻用。在基礎理論部分,書中十分強調正確物理概念的樹立與靈活運用,例題和習題具有一定深度和啓發性,旨在使讀者切實地掌握並能熟練地運用基本概念。本書所介紹的結構分析程序是一個完整的係統,各個程序之間既是獨立的又具有內在的聯係。書中各程序分彆采用瞭FORTRAN95和C++兩種語言,程序的格式統一,許多子程序互相通用,這就使讀者能在短期內係統地掌握一整套實用的結構計算程序,並可在工程實踐和理論研究工作中加以應用。程序的設計考慮瞭通用性,因此很容易稍作改編後即可用於空間問題和各種連續體的有限元分析。
好的,這是一份關於一本不包含《計算結構力學/普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》內容的圖書的詳細簡介。 --- 《現代材料科學與工程應用基礎》 導論:邁嚮新世紀的材料革命 當前,全球科技發展正以前所未有的速度嚮前推進,新一輪的工業革命浪潮已然興起。在這場變革中,新材料的研發與應用無疑扮演著核心驅動力的角色。《現代材料科學與工程應用基礎》正是為適應這一時代需求而精心編寫的一本綜閤性教材。本書旨在為工科學生提供一個全麵、係統且深入的材料科學基礎知識框架,使其能夠理解材料的內在規律、掌握分析與設計材料的能力,並能將其應用於解決實際工程問題。本書的編寫摒棄瞭傳統材料教材中過度側重單一力學性能分析的局限,而是將視角拓展至原子結構、微觀組織與宏觀性能之間的內在聯係,並緊密結閤當前先進製造技術的發展趨勢。 全書結構設計遵循“基礎理論先行,應用拓展跟進”的原則,力求在深度與廣度之間取得完美的平衡。我們堅信,紮實的材料科學基礎是所有工程學科創新的源泉。 第一篇:材料的微觀世界——原子、晶體與缺陷 本篇是理解材料本性的基石。我們不會簡單羅列各種晶體結構,而是深入探討晶體形成的熱力學驅動力以及原子鍵閤的本質。 第一章:原子結構與化學鍵 本章首先迴顧量子力學對原子軌道的描述,重點講解離子鍵、共價鍵、金屬鍵和範德華力這四種基本鍵閤類型的形成機理及其對材料宏觀電學、磁學性質的影響。例如,通過對比金剛石(共價晶體)和銅(金屬晶體)的微觀結構,闡釋其導電性天壤之彆的根本原因。我們引入“鍵閤能-鍵長”麯綫的概念,用以預測材料在不同溫度下的穩定性和強度特性。 第二章:晶體結構與衍射基礎 本書詳細介紹瞭體心立方(BCC)、麵心立方(FCC)和密排六方(HCP)等常見晶體結構的幾何特徵,並重點引入瞭剋拉福德符號(Miller Indices)的幾何意義和應用。在分析晶體結構的同時,本章引入瞭X射綫衍射(XRD)的基本原理,並展示瞭如何通過實驗數據確定材料的晶格常數和相組成。特彆地,我們詳細分析瞭孿晶界和晶界在材料塑性變形中的作用,強調瞭晶界工程在提升材料性能中的潛力。 第三章:晶體缺陷的分類與影響 材料的宏觀性能往往由微觀缺陷所決定。本章係統闡述瞭點缺陷(空位、間隙原子、取代原子)、綫缺陷(位錯)和麵缺陷(晶界、堆垛層錯)的形成機製、運動方式及對材料力學和電學性能的耦閤影響。我們采用應變場理論對位錯的能態進行建模分析,並詳細討論瞭位錯纏結和交滑移在加工硬化中的物理圖像,為後續塑性變形理論打下堅實基礎。 第二篇:材料的性能與組織——熱力學與相變控製 本篇聚焦於材料組織結構如何通過熱力學原理得到控製和調控,這是現代材料設計中的關鍵環節。 第四章:材料的熱力學基礎與相圖 本章基於吉布斯自由能概念,推導齣相平衡條件。重點講解瞭杠杆原理在二元閤金相圖(如Fe-C係、Cu-Sn係)中的應用,強調相圖是指導材料熱處理過程的“地圖”。我們詳細分析瞭固溶處理、析齣強化等強化機製背後的熱力學驅動力。 第五章:固態相變動力學 相變的速度和形態至關重要。本章引入瞭阿倫尼烏斯方程來描述原子擴散率,並結閤納波羅夫-詹森(Nabarro-Herring)蠕變模型,探討高溫下材料的鬆弛過程。對於鋼鐵材料,我們深入分析瞭奧氏體嚮珠光體、貝氏體和馬氏體轉變的時間-溫度-轉變(TTT)圖,並闡述瞭冷卻速率控製在材料製造中的核心地位。 第六章:陶瓷材料的結構與燒結 陶瓷材料因其耐高溫、高硬度特性而備受關注。本章側重於陶瓷粉體的製備、壓實過程中的顆粒排布與粘結,以及燒結過程中的體積收縮與氣孔率演化。我們建立瞭描述燒結緻密化速率的簡化數學模型,並討論瞭液相燒結如何有效降低燒結溫度並提高最終密度。 第三篇:先進材料設計與工程應用 本篇將前兩篇的理論知識應用於現代工程領域,介紹瞭幾類最具代錶性的前沿材料。 第七章:金屬閤金的強化與韌化 本章超越瞭傳統的晶界強化,深入探討瞭現代金屬閤金的強化途徑:沉澱強化、位錯強化、固溶強化以及晶粒細化強化。針對高熵閤金(HEA),我們詳細分析瞭其“高熵效應”和“遲滯效應”對構型無序度和穩定性的影響,並探討瞭如何通過設計組閤元素實現卓越的機械性能。 第八章:高分子材料的結構與流變學 高分子材料的特性受其長鏈結構和纏結狀態的深刻影響。本章講解瞭聚閤物的微觀結構(結晶度、玻璃化轉變溫度$T_g$),並引入瞭蠕變與應力鬆弛的概念。我們利用粘彈性本構模型(如Voigt模型和Maxwell模型)來描述高分子在不同載荷曆史下的響應,這對於塑料製件的長期可靠性評估至關重要。 第九章:功能材料的電磁學基礎 本章關注材料如何實現能量轉換與存儲。我們詳細分析瞭半導體的能帶結構,講解瞭PN結的形成機理及其在二極管和晶體管中的應用。對於磁性材料,我們闡述瞭布洛赫疇的形成,以及軟磁材料(如鐵氧體)和硬磁材料(如釹鐵硼)在磁化-去磁化過程中的磁滯迴綫差異,明確瞭其在變壓器和永磁電機中的應用選擇依據。 結語:麵嚮未來的材料工程 本書的編寫,著重於培養學生的係統思維和跨學科融閤能力。在每一章的末尾,均設置瞭“案例分析”和“前沿展望”部分,引導學生思考當前材料工程麵臨的挑戰,如極端環境下的材料服役可靠性、材料的循環利用性(可持續性)以及智能自修復材料的設計思路。 本書內容嚴謹、圖錶豐富,旨在成為材料科學與工程專業本科生以及相關交叉學科(如機械工程、土木工程、航空航天)學生不可或缺的工具書。掌握本書內容,即是掌握瞭理解和創造未來工程物質基礎的鑰匙。