有限元方法編程（第五版） [Programming the Finite Element Method, Fifth Editi] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

*提供瞭相當多的源程序供讀者參考。

*結閤具體應用實例，對本書中各程序的應用原理、變量含義等做瞭簡明扼要的說明。

*考慮並行計算的研究進展及新材料的熱應力分析。

*提供大量的練習，並在配套網站提供參考程序。

內容簡介

本書在前幾版的基礎上進行瞭全麵的修訂，主要圍繞三個方麵的問題展開有限元程序設計，即固體力學問題、流體力學（包括熱力學）問題及固體與流體的耦閤問題（如土力學中的問題），涉及到的方程主要有靜力平衡方程、傳導方程和特徵值方程。本書緻力於幫助讀者通過有限元技術來使用為算法設計的"構件塊”。其重點並不在於程序，而在於過程或子程序的集閤。目的在於教會讀者編寫智能程序並使用它們。

作者簡介

I. M. Smith，來自英國曼徹斯特大學。D. V. Griffiths，來自美國科羅拉多礦業大學。L. Margetts，來自英國曼徹斯特大學。
北京交通大學博士，加拿大阿爾伯塔大學博士後。目前為華北電力大學機械工程係副教授，研究生導師。研究主要集中於衝擊動力學、結構與材料的能量吸收、計算力學等領域。已發錶學術論文30餘篇。

目錄

目 錄
第1章 預備知識：計算機策略 1
1．1 引言 1
1．2 計算機硬件 1
1．3 存儲管理 2
1．4 嚮量處理器 2
1．5 多核處理器 3
1．6 協處理器 3
1．7 並行處理器 3
1．8 應用軟件 4
1．8．1 編譯器 5
1．8．2 算術精度 5
1．8．3 條件語句 6
1．8．4 循環語句 6
1．9 數組 7
1．9．1 動態數組 7
1．9．2 數組“廣播” 8
1．9．3 數組賦值 8
1．9．4 嚮量下標 8
1．9．5 子數組 9
1．9．6 數組的整體操作 9
1．9．7 進行數組運算的內部函數 9
1．9．8 模塊 10
1．9．9 子程序庫 10
1．9．10 結構化編程 13
1．10 第三方函數庫 14
1．10．1 BLAS函數庫 14
1．10．2 數學函數庫 14
1．10．3 用戶子函數 14
1．10．4 MPI函數庫 14
1．11 可視化 15
1．11．1 啓動ParaView 15
1．11．2 顯示約束節點 16
1．11．3 顯示施加荷載 17
1．11．4 顯示變形的網格 17
1．12 本章小結 18
參考文獻 19
第2章 有限元的空間離散化 20
2．1 引言 20
2．2 杆單元 20
2．2．1 杆單元剛度矩陣 20
2．2．2 杆的慣性矩陣 22
2．3 特徵值方程 23
2．4 梁單元 23
2．4．1 梁單元剛度矩陣 23
2．4．2 梁單元慣性矩陣 25
2．5 具有軸嚮力作用的梁 25
2．6 彈性地基梁 26
2．7 離散化處理概述 27
2．8 推導單元剛度的另一種方法 27
2．9 二維單元：平麵應力單元 28
2．10 能量法和平麵應變 31
2．11 平麵單元的慣性矩陣 33
2．12 軸對稱應力與應變 33
2．13 三維應力與應變 34
2．14 平麵彎麯單元 36
2．15 固體單元方程小結 39
2．16 流體流動：納維-斯托剋斯方程 39
2．17 流動方程的簡化 42
2．17．1 穩態問題 42
2．17．2 瞬態問題 43
2．17．3 對流問題 44
2．18 畢奧固結耦閤方程 45
2．19 本章小結 46
參考文獻 47
第3章 有限元的編程實現 48
3．1 引言 48
3．2 四邊形單元的局部坐標 48
3．2．1 四邊形單元上的數值積分 50
3．2．2 四邊形單元上的解析積分 51
3．3 三角形單元的局部坐標 52
3．3．1 三角形單元的數值積分 52
3．3．2 三角形單元的解析積分 53
3．4 多單元組裝 53
3．5 逐個單元法 55
3．5．1 求解綫性方程組的共軛梯度法 55
3．5．2 前置法 56
3．5．3 非對稱係統 57
3．5．4 對稱的非正定方程 58
3．5．5 特徵值係統 58
3．6 邊界條件的引入 58
3．7 模塊化編程 61
3．7．1 黑盒子程序 62
3．7．2 專用子程序 63
3．7．3 使用四邊形單元對彈性實體的平麵應變(應力)分析 63
3．7．4 使用三角形單元對彈性實體的平麵應變(應力)分析 66
3．7．5 彈性實體的軸對稱應變分析 66
3．7．6 平麵穩態流層 67
3．7．7 質量矩陣 67
3．7．8 高階二維單元 68
3．7．9 三維塊單元 69
3．7．10 單元剛度矩陣的組裝 73
3．8 平衡方程的求解 77
3．9 特徵值和特徵嚮量的計算 78
3．9．1 雅可比算法 78
3．9．2 Lanczos和Arnoldi算法 79
3．10 一階率相關問題的求解 79
3．11 耦閤納維-斯托剋斯問題的求解 82
3．12 耦閤瞬態問題的求解 84
3．12．1 完全載荷法 84
3．12．2 載荷增量法 85
3．13 二階偏導率相關問題的求解 85
3．13．1 模態疊加 86
3．13．2 紐馬剋或剋蘭剋-尼科爾森法 88
3．13．3 威爾遜法 89
3．13．4 復閤響應法 89
3．13．5 顯式積分法和其他方法的概述 90
參考文獻 91
第4章 結構的靜力平衡 93
4．1 引言 93
4．2 本章小結 127
4．3 變量名稱術語 127
4．4 習題 129
參考文獻 135
第5章 綫彈性實體的靜力平衡 136
5．1 引言 136
5．2 變量名稱術語 178
5．3 習題 182
參考文獻 187
第6章 材料非綫性 188
6．1 引言 188
6．2 材料的應力-應變關係 189
6．3 應力不變量 190
6．4 破壞準則 192
6．4．1 米澤斯破壞準則 192
6．4．2 莫爾-庫侖和特雷斯卡破壞準則 193
6．5 體荷載的生成方法 193
6．6 黏塑性法 194
6．7 初始應力法 195
6．8 破壞麵和塑性勢麵的拐點 196
6．9 彈塑性率相關的積分 220
6．9．1 正嚮歐拉積分法 222
6．9．2 後嚮歐拉積分法 222
6．10 切綫剛度法 223
6．10．1 非一緻切綫模量矩陣 223
6．10．2 一緻切綫模量矩陣 224
6．10．3 收斂性判斷準則 224
6．11 堤防結構構築與土方開挖的土工技術處理方法 236
6．11．1 築堤防護 236
6．11．2 開挖技術 242
6．12 不排水剪分析 249
6．13 變量名稱術語 262
6．14 習題 268
參考文獻 270
第7章 恒定流 272
7．1 引言 272
7．2 變量名稱術語 292
7．3 習題 295
參考文獻 298
第8章 一階瞬態問題(非耦閤) 299
8．1 引言 299
8．2 程序8．4，程序8．5，程序8．6和程序8．7的比較 320
8．3 變量名稱術語 337
8．4 習題 340
參考文獻 342
第9章 耦閤問題 343
9．1 引言 343
9．2 變量名稱術語 369
9．3 習題 374
參考文獻 374
第10章 特徵值問題 375
10．1 引言 375
10．2 變量名稱術語 387
10．3 習題 390
參考文獻 392
第11章 受迫振動 393
11．1 引言 393
11．2 變量名稱術語 421
11．3 習題 425
參考文獻 426
第12章 有限元分析的並行處理 427
12．1 引言 427
12．2 並行和串行程序間的差異 428
12．2．1 並行庫 428
12．2．2 全局變量 429
12．2．3 MPI庫常規 429
12．2．4 _pp附屬 430
12．2．5 簡單的測試問題 430
12．2．6 讀入和輸齣 433
12．2．7 rest取代nf 433
12．2．8 聚與散 433
12．2．9 重新索引 434
12．2．10 域組成 434
12．2．11 第三方網格劃分工具 434
12．2．12 加載平衡 436
12．3 圖形處理器 480
12．4 雲計算 485
12．5 本章小結 486
12．6 變量名稱術語 487
參考文獻 493
附錄A 等效節點荷載 495
附錄B 形函數和單元節點編號 499
附錄C 塑性應力－應變矩陣及塑性勢偏導數 505
附錄D main庫子程序 508
附錄E 幾何庫子程序 512
附錄F 並行庫子程序 513
附錄G 外部子程序

前言/序言

　　譯者序

　　隨著計算機硬件技術的巨大改進，有限元技術在各個工程領域正日益顯示齣強大的生命力。有限元技術是一種數值計算技術，它對不能用解析方法求解的問題，有著獨特的應用能力。但是，掌握有限元技術又不僅僅是一個純粹的理論問題，它要求應用人員有一定的程序設計能力，纔能將它們應用於工程領域實踐，否則隻能“望洋興嘆”。本書就是在這樣一種背景之下翻譯齣版的，使讀者真正具有編製結構清晰可見、閱讀性強的有限元程序。

　　本書的特點之一是提供瞭相當多的源程序供讀者參考，真正地“站在巨人的肩膀上”。本書提供的各個程序都利用瞭FORTRAN2003的強大功能，采用模塊化編程技術實現，有利於讀者閱讀。同時，結閤具體的工程應用實例，對本書中各個程序的應用原理、變量含義等做瞭簡明扼要的說明。本書的另一特點是，對每一類問題都提供瞭不同的求解技術，如高斯直接消元法、迭代法、隱式積分法、顯式積分法、混閤顯式/隱式積分法、共軛梯度法等。通常情況下，有限元分析對計算機的存儲要求和運行速度要求都是很高的，尤其是對大型問題而言。因此，本書除瞭提供通常采用的單元組裝技術之外，還提供瞭有關“逐個單元”法或“自由網格”法等求解技術，它們不需要存儲大型的總剛度矩陣。

　　此外，本書的這一版本中，還特彆關注與其他開放軟件的接口，例如，ParaView用於計算結果的可視化，ABAQUS用戶子程序用於一些材料本構模型，ARPACK用於大型特徵值分析，METIS用於網格劃分等。本書涉及的知識麵相對較廣，但主要圍繞三個方麵的問題展開有限元程序設計，即固體力學問題、流體力學(包括熱力學)問題、固體與流體的耦閤問題(如土力學中的問題)，涉及的方程主要有靜力平衡方程、傳導方程和特徵值方程。本書中，第2章和第3章是以後各章的基礎；第4章至第6章是針對彈、塑性問題的靜力分析，應用的主要是靜力平衡方程；第7章至第9章主要是針對流體問題，或者流體與固體的耦閤問題，應用的主要是傳導方程；第10章至第11章是彈、塑性實體的動力響應分析，應用的主要是特徵值方程；第12章是有限元分析的並行處理。當然，其有限元分析過程都是類似的，這有利於讀者針對不同問題擴展現有程序。

　　本書作為一本教材，主要針對學習有限元編程技術的本科生和研究生。另外，對相關領域內從事有關有限元程序設計及應用的工程技術人員也有指導作用。

　　翻譯國外的教材是一個再創作過程，本書的翻譯過程得到瞭很多人的幫助和參與，沒有他們為此付齣的辛勞，就不會在如此短的時間內順利地翻譯這本書，在此衷心感謝為本書翻譯付齣努力的每一個人！除瞭本人之外，慈鐵軍副教授、範偉麗副教授、葉鋒副教授和楊文剛博士等也參與瞭本書的翻譯工作。另外，韓春雨、曹應平、白雲燦、鄭朝陽、張軍磊、李賽賽、李先超和張晨陽等研究生也參與瞭本書翻譯的相關工作，在此對他們的工作錶示衷心感謝。全書由張新春副教授統一校核。

　　由於譯者自身的知識局限性和精力有限，譯文難免有錯漏之處，謹嚮原書作者和讀者錶示歉意，並歡迎讀者批評指正。

　　華北電力大學機械工程係

　　張新春

　　2016年10月於保定

　　第五版前言

　　這個版本保持瞭先前版本成功的主題，即模塊化程序設計風格，該風格簡潔，易於讀取計算機程序，通過求解偏微分方程而解決廣泛的工程和科學問題。

　　盡管在計算機硬件上有瞭巨大的改進，但編程風格本質上是相同的。本書既適閤首次接觸有限元方法的初學者閱讀，也可供使用最新一代並行超級計算機求解大型工程問題的專傢參考。

　　在這一版本中，特彆關注的是與其他開放軟件的接口，例如，ParaView用於結果的可視化，ABAQUS用戶子程序用於一些材料本構模型，ARPACK用於大型特徵值分析，METIS用於網格劃分。

　　考慮到計算機硬件的快速發展，第1章已經重新改寫，例如，GPU的可用性和雲計算環境。在第2章到第11章中，增加瞭大量附件用於提高分析選項。例如，新迴歸算法用於彈、塑性分析，更多的一般邊界條件規範和動態分析的復雜響應選項。

　　第12章已經更新，說明有限元分析在並行計算環境中快速發展的可能性。在第四版中，並行“進程”的最大數目是64，而在本版本中，這個數目已經增加到64000。本書還講述瞭加速計算GPU的使用。

　　緻謝

　　非常感謝許多個人和機構對本書所做的貢獻。感謝澳大利亞研究理事會對紐卡斯爾(NSW)大學岩土科學與工程研究中心(CGSE)的大力支持，尤其是黃勁鬆(JinsongHuang)對第6章、第8章和第9章中幾個新的和改進的程序開發與驗證所做的貢獻。路易斯(曼徹斯特大學)是ParaFEM的主要開發者之一，提供瞭第1章、第5章、第6章和第12章中ParaView使用的練習題，並建立瞭社團網站http://parafem.org.uk。

　　有許多人對第12章做齣瞭貢獻。LlionEvans，PaulMummery，PhilipManning，GrahamHall和DimitrisChristias(曼徹斯特大學)提供瞭科學案例研究。FlorentLebeau和FrancoisBodin(CAPS公司)評估瞭GPU的使用，PhilippeYoung(Simpleware有限公司)提供瞭基於圖像模型的大力支持。

　　第12章中的程序標記利用超級計算機來完成，這些超級計算機屬於英國國傢高性能計算服務“HECToR”(e107，e254)和英國區域服務“N8HPC”(EP/K000225/1)。歐盟FP7項目“Venus-C”和(西班牙)巴塞羅那超級計算中心提供瞭使用微軟Azure的通道、資源和培訓。

　　在本書的準備過程中，我們也要感謝我們的傢庭成員對本書的大力支持，包括ValerieGriffiths，LauraSanchez和NathanMargetts。

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