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『簡體書』有限元方法编程（第五版）

書城自編碼： 3005618
分類：簡體書→大陸圖書→教材→研究生/本科/专科教材
作者： [英]I. M. Smith[ I. M. 史密斯]，[美]
國際書號(ISBN)： 9787121314148
出版社： 电子工业出版社
出版日期： 2017-05-01
版次： 1 印次： 1
頁數/字數： 528/
書度/開本： 16开 釘裝： 平塑

售價：HK$ 163.4

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編輯推薦：
*提供了相当多的源程序供读者参考。
*结合具体应用实例，对本书中各程序的应用原理、变量含义等做了简明扼要的说明。
*考虑并行计算的研究进展及新材料的热应力分析。
*提供大量的练习，并在配套网站提供参考程序。
內容簡介：
本书在前几版的基础上进行了全面的修订，主要围绕三个方面的问题展开有限元程序设计，即固体力学问题、流体力学（包括热力学）问题及固体与流体的耦合问题（如土力学中的问题），涉及到的方程主要有静力平衡方程、传导方程和特征值方程。本书致力于帮助读者通过有限元技术来使用为算法设计的"构件块”。其重点并不在于程序，而在于过程或子程序的集合。目的在于教会读者编写智能程序并使用它们。
關於作者：
I. M. Smith，来自英国曼彻斯特大学。D. V. Griffiths，来自美国科罗拉多矿业大学。L. Margetts，来自英国曼彻斯特大学。
北京交通大学博士，加拿大阿尔伯塔大学博士后。目前为华北电力大学机械工程系副教授，研究生导师。研究主要集中于冲击动力学、结构与材料的能量吸收、计算力学等领域。已发表学术论文30余篇。
目錄：
目录
第1章预备知识：计算机策略1
1.1引言1
1.2计算机硬件1
1.3存储管理2
1.4向量处理器2
1.5多核处理器3
1.6协处理器3
1.7并行处理器3
1.8应用软件4
1.8.1编译器5
1.8.2算术精度5
1.8.3条件语句6
1.8.4循环语句6
1.9数组7
1.9.1动态数组7
1.9.2数组广播8
1.9.3数组赋值8
1.9.4向量下标8
1.9.5子数组9
1.9.6数组的整体操作9
1.9.7进行数组运算的内部函数9
1.9.8模块10
1.9.9子程序库10
1.9.10 结构化编程13
1.10 第三方函数库14
1.10.1 BLAS函数库14
1.10.2 数学函数库14
1.10.3 用户子函数14
1.10.4 MPI函数库14
1.11 可视化15
1.11.1 启动ParaView15
1.11.2 显示约束节点16
1.11.3 显示施加荷载17
1.11.4 显示变形的网格17
1.12 本章小结18
参考文献19
第2章有限元的空间离散化20
2.1引言20
2.2杆单元20
2.2.1杆单元刚度矩阵20
2.2.2杆的惯性矩阵22
2.3特征值方程23
2.4梁单元23
2.4.1梁单元刚度矩阵23
2.4.2梁单元惯性矩阵25
2.5具有轴向力作用的梁25
2.6弹性地基梁26
2.7离散化处理概述27
2.8推导单元刚度的另一种方法27
2.9二维单元：平面应力单元28
2.10 能量法和平面应变31
2.11 平面单元的惯性矩阵33
2.12 轴对称应力与应变33
2.13 三维应力与应变34
2.14 平面弯曲单元36
2.15 固体单元方程小结39
2.16 流体流动：纳维-斯托克斯方程39
2.17 流动方程的简化42
2.17.1 稳态问题42
2.17.2 瞬态问题43
2.17.3 对流问题44
2.18 毕奥固结耦合方程45
2.19 本章小结46
参考文献47
第3章有限元的编程实现48
3.1引言48
3.2四边形单元的局部坐标48
3.2.1四边形单元上的数值积分50
3.2.2四边形单元上的解析积分51
3.3三角形单元的局部坐标52
3.3.1三角形单元的数值积分52
3.3.2三角形单元的解析积分53
3.4多单元组装53
3.5逐个单元法55
3.5.1求解线性方程组的共轭梯度法55
3.5.2前置法56
3.5.3非对称系统57
3.5.4对称的非正定方程58
3.5.5特征值系统58
3.6边界条件的引入58
3.7模块化编程61
3.7.1黑盒子程序62
3.7.2专用子程序63
3.7.3使用四边形单元对弹性实体的平面应变应力分析63
3.7.4使用三角形单元对弹性实体的平面应变应力分析66
3.7.5弹性实体的轴对称应变分析66
3.7.6平面稳态流层67
3.7.7质量矩阵67
3.7.8高阶二维单元68
3.7.9三维块单元69
3.7.10 单元刚度矩阵的组装73
3.8平衡方程的求解77
3.9特征值和特征向量的计算78
3.9.1雅可比算法78
3.9.2Lanczos和Arnoldi算法79
3.10 一阶率相关问题的求解79
3.11 耦合纳维-斯托克斯问题的求解82
3.12 耦合瞬态问题的求解84
3.12.1 完全载荷法84
3.12.2 载荷增量法85
3.13 二阶偏导率相关问题的求解85
3.13.1 模态叠加86
3.13.2 纽马克或克兰克-尼科尔森法88
3.13.3 威尔逊法89
3.13.4 复合响应法89
3.13.5 显式积分法和其他方法的概述90
参考文献91
第4章结构的静力平衡93
4.1引言93
4.2本章小结127
4.3变量名称术语127
4.4习题129
参考文献135
第5章线弹性实体的静力平衡136
5.1引言136
5.2变量名称术语178
5.3习题182
参考文献187
第6章材料非线性188
6.1引言188
6.2材料的应力-应变关系189
6.3应力不变量190
6.4破坏准则192
6.4.1米泽斯破坏准则192
6.4.2莫尔-库仑和特雷斯卡破坏准则193
6.5体荷载的生成方法193
6.6黏塑性法194
6.7初始应力法195
6.8破坏面和塑性势面的拐点196
6.9弹塑性率相关的积分220
6.9.1正向欧拉积分法222
6.9.2后向欧拉积分法222
6.10 切线刚度法223
6.10.1 非一致切线模量矩阵223
6.10.2 一致切线模量矩阵224
6.10.3 收敛性判断准则224
6.11 堤防结构构筑与土方开挖的土工技术处理方法236
6.11.1 筑堤防护236
6.11.2 开挖技术242
6.12 不排水剪分析249
6.13 变量名称术语262
6.14 习题268
参考文献270
第7章恒定流272
7.1引言272
7.2变量名称术语292
7.3习题295
参考文献298
第8章一阶瞬态问题非耦合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的比较320
8.3变量名称术语337
8.4习题340
参考文献342
第9章耦合问题343
9.1引言343
9.2变量名称术语369
9.3习题374
参考文献374
第10章特征值问题375
10.1引言375
10.2变量名称术语387
10.3习题390
参考文献392
第11章受迫振动393
11.1引言393
11.2变量名称术语421
11.3习题425
参考文献426
第12章有限元分析的并行处理427
12.1引言427
12.2并行和串行程序间的差异428
12.2.1并行库428
12.2.2全局变量429
12.2.3MPI库常规429
12.2.4_pp附属430
12.2.5简单的测试问题430
12.2.6读入和输出433
12.2.7rest取代nf433
12.2.8聚与散433
12.2.9重新索引434
12.2.10 域组成434
12.2.11 第三方网格划分工具434
12.2.12 加载平衡436
12.3图形处理器480
12.4云计算485
12.5本章小结486
12.6变量名称术语487
参考文献493
附录A等效节点荷载495
附录B形函数和单元节点编号499
附录C塑性应力－应变矩阵及塑性势偏导数505
附录Dmain库子程序508
附录E几何库子程序512
附录F并行库子程序513
附录G外部子程序
內容試閱：
译 者 序
随着计算机硬件技术的巨大改进，有限元技术在各个工程领域正日益显示出强大的生命力。有限元技术是一种数值计算技术，它对不能用解析方法求解的问题，有着独特的应用能力。但是，掌握有限元技术又不仅仅是一个纯粹的理论问题，它要求应用人员有一定的程序设计能力，才能将它们应用于工程领域实践，否则只能望洋兴叹。本书就是在这样一种背景之下翻译出版的，使读者真正具有编制结构清晰可见、阅读性强的有限元程序。
本书的特点之一是提供了相当多的源程序供读者参考，真正地站在巨人的肩膀上。本书提供的各个程序都利用了FORTRAN 2003的强大功能，采用模块化编程技术实现，有利于读者阅读。同时，结合具体的工程应用实例，对本书中各个程序的应用原理、变量含义等做了简明扼要的说明。本书的另一特点是，对每一类问题都提供了不同的求解技术，如高斯直接消元法、迭代法、隐式积分法、显式积分法、混合显式隐式积分法、共轭梯度法等。通常情况下，有限元分析对计算机的存储要求和运行速度要求都是很高的，尤其是对大型问题而言。因此，本书除了提供通常采用的单元组装技术之外，还提供了有关逐个单元法或自由网格法等求解技术，它们不需要存储大型的总刚度矩阵。
此外，本书的这一版本中，还特别关注与其他开放软件的接口，例如，ParaView用于计算结果的可视化，ABAQUS用户子程序用于一些材料本构模型，ARPACK用于大型特征值分析，METIS用于网格划分等。本书涉及的知识面相对较广，但主要围绕三个方面的问题展开有限元程序设计，即固体力学问题、流体力学包括热力学问题、固体与流体的耦合问题如土力学中的问题，涉及的方程主要有静力平衡方程、传导方程和特征值方程。本书中，第2章和第3章是以后各章的基础；第4章至第6章是针对弹、塑性问题的静力分析，应用的主要是静力平衡方程；第7章至第9章主要是针对流体问题，或者流体与固体的耦合问题，应用的主要是传导方程；第10章至第11章是弹、塑性实体的动力响应分析，应用的主要是特征值方程；第12章是有限元分析的并行处理。当然，其有限元分析过程都是类似的，这有利于读者针对不同问题扩展现有程序。
本书作为一本教材，主要针对学习有限元编程技术的本科生和研究生。另外，对相关领域内从事有关有限元程序设计及应用的工程技术人员也有指导作用。
翻译国外的教材是一个再创作过程，本书的翻译过程得到了很多人的帮助和参与，没有他们为此付出的辛劳，就不会在如此短的时间内顺利地翻译这本书，在此衷心感谢为本书翻译付出努力的每一个人！除了本人之外，慈铁军副教授、范伟丽副教授、叶锋副教授和杨文刚博士等也参与了本书的翻译工作。另外，韩春雨、曹应平、白云灿、郑朝阳、张军磊、李赛赛、李先超和张晨阳等研究生也参与了本书翻译的相关工作，在此对他们的工作表示衷心感谢。全书由张新春副教授统一校核。
由于译者自身的知识局限性和精力有限，译文难免有错漏之处，谨向原书作者和读者表示歉意，并欢迎读者批评指正。
华北电力大学机械工程系
张新春
2016年10月 于保定


第五版前言
这个版本保持了先前版本成功的主题，即模块化程序设计风格，该风格简洁，易于读取计算机程序，通过求解偏微分方程而解决广泛的工程和科学问题。
尽管在计算机硬件上有了巨大的改进，但编程风格本质上是相同的。本书既适合首次接触有限元方法的初学者阅读，也可供使用最新一代并行超级计算机求解大型工程问题的专家参考。
在这一版本中，特别关注的是与其他开放软件的接口，例如，ParaView用于结果的可视化，ABAQUS用户子程序用于一些材料本构模型，ARPACK用于大型特征值分析，METIS用于网格划分。
考虑到计算机硬件的快速发展，第1章已经重新改写，例如，GPU的可用性和云计算环境。在第2章到第11章中，增加了大量附件用于提高分析选项。例如，新回归算法用于弹、塑性分析，更多的一般边界条件规范和动态分析的复杂响应选项。
第12章已经更新，说明有限元分析在并行计算环境中快速发展的可能性。在第四版中，并行进程的最大数目是64，而在本版本中，这个数目已经增加到64 000。本书还讲述了加速计算GPU的使用。


致 谢
非常感谢许多个人和机构对本书所做的贡献。感谢澳大利亚研究理事会对纽卡斯尔NSW大学岩土科学与工程研究中心CGSE的大力支持，尤其是黄劲松Jinsong Huang对第6章、第8章和第9章中几个新的和改进的程序开发与验证所做的贡献。路易斯曼彻斯特大学是ParaFEM的主要开发者之一，提供了第1章、第5章、第6章和第12章中ParaView使用的练习题，并建立了社团网站http：parafem.org.uk。
有许多人对第12章做出了贡献。Llion Evans，Paul Mummery，Philip Manning，Graham Hall 和 Dimitris Christias曼彻斯特大学提供了科学案例研究。Florent Lebeau和Francois BodinCAPS 公司评估了GPU的使用，Philippe Young Simpleware有限公司提供了基于图像模型的大力支持。
第12章中的程序标记利用超级计算机来完成，这些超级计算机属于英国国家高性能计算服务HECToRe107，e254和英国区域服务N8 HPCEPK0002251。欧盟FP7项目Venus-C和西班牙巴塞罗那超级计算中心提供了使用微软Azure的通道、资源和培训。
在本书的准备过程中，我们也要感谢我们的家庭成员对本书的大力支持，包括Valerie Griffiths，Laura Sanchez 和Nathan Margetts。

 

 

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