內容簡介
本書以作者開發的桿件結構內力分析程式、連續體結構應力分析程式、構件內溫度場分析程式為例,詳細介紹有限元軟體設計與開發涉及的理論基礎和編程技術,主要包括力學及傳熱學基本原理、有限單元法基本理論、計算機圖形學基本原理、有限元計算程式設計與開發、前後處理程式設計與開發等內容,目的是使讀者了解有限元軟體設計及開發的有關概念、理論、原理、方法、技巧,提高軟體開發的能力,為開發和套用有限元軟體奠定基礎。本書的特點是內容相對完整,涵蓋了有限元軟體前處理、數值計算、後處理的全部內容,並給出了用Visual Basic 60編寫的程式原始碼。
《結構靜力分析有限元軟體設計與開發》可供土木工程、水利工程、機械工程等相關領域的科技人員及高等院校的高年級本科生、研究生、教師參考。
圖書目錄
第1章 緒論
1.1 有限單元法的產生及發展
1.1.1 概述
1.1.2 有限單元法的前期積累
1.1.3 有限單元法的思想火花
1.1.4 有限單元法的正式誕生
1.1.5 有限單元法的蓬勃發展
1.2 通用有限元軟體的產生及發展
1.2.1 IBM 704計算機的推出
1.2.2 高級語言的問世
1.2.3 通用有限元軟體的誕生
1.2.4 有限元軟體產業的繁榮
1.3 中國的有限單元法及有限元軟體
1.3.1 早期的艱難探索
1.3.2 改革開放後的進展
1.4 有限元軟體開發的重要論著
參考文獻
第2章 桿件結構有限單元法理論
2.1 基本概念及基本符號
2.1.1 有限單元法中的一些基本概念
2.1.2 單元桿端內力和桿端位移的表示方法
2.1.3 坐標變換矩陣
2.2 單元分析
2.2.2 單元分析之Ⅱ——整體坐標系中的單元剛度矩陣
2.2.3 單元分析之Ⅲ——單元荷載的等效節點荷載向量
2.3 整體分析
2.3.1 整體分析之Ⅰ——結構的整體剛度矩陣
2.3.2 整體分析之Ⅱ——結構的綜合節點荷載向量
2.3.3 整體分析之Ⅲ——結構剛度方程的求解
2.4 單元再分析
2.4.1 單元再分析之Ⅰ——單元的最終桿端內力
2.4.2 單元再分析之Ⅱ——單元的內力變化方程
2.4.3 單元再分析之Ⅲ——單元的變形曲線方程
2.5 三維桿單元
2.5.1 三維桿單元的桿端內力向量和桿端位移向量
2.5.2 三維桿單元的坐標變換矩陣
2.5.3 三維桿單元局部坐標系中的單剛
2.5.4 三維桿單元整體坐標系中的單剛
2.6 三維梁單元
2.6.1 三維梁單元的桿端內力向量和桿端位移向量
2.6.2 三維梁單元的坐標變換矩陣
2.6.3 三維梁單元的第三個節點
2.6.4 三維梁單元局部坐標系中的單剛
2.6.5 三維梁單元整體坐標系中的單剛
2.7 桿件結構有限單元法計算步驟總結
參考文獻
第3章 桿件結構內力分析程式
3.1 FRAME2D簡介
3.1.1 程式總體結構及界面
3.1.2 有限元模型數據
3.2 FRAME2D的計算模組入口程式
3.3 讀入有限元模型數據子程式
3.3.1 存儲模型數據的重要全程變數和數組
3.3.2 讀入有限元模型數據檔案的子程式
3.4 計算前預處理子程式
3.5 編寫節點總碼子程式
3.6 確定總剛主對角線上元素地址子程式
3.7 數值計算模組總控子程式
3.8 計算總剛子程式
3.9 形成節點荷載向量子程式
3.11 利用節點位移求單元桿端內力
3.12 單元調度程式
3.13 兩節點桿單元模組
3.13.1 桿單元主控程式
3.13.2 桿單元的計算單剛子程式
3.13.3 強制節點位移在桿單元中引起的等效節點荷載
3.13.4 桿單元上單元荷載產生的等效節點荷載
3.13.5 計算桿單元局部坐標系中桿端內力子程式
3.14 兩節點梁單元模組
3.14.1 梁單元的主控程式
3.14.2 梁單元的計算單剛子程式
3.14.3 強制節點位移在梁單元中引起的等效節點荷載
3.14.4 計算梁單元上單元荷載的等效節點荷載子程式
3.14.5 計算梁單元桿端內力子程式
3.15 算例
3.15.1 算例1
3.15.2 算例2
參考文獻
第4章 連續體結構有限單元法理論
4.1 二維彈性力學問題有限元分析基礎
4.1.1 二維問題的一些基本概念
4.1.2 二維問題的一些基本方程
4.1.3 二維連續體的勢能及有關定理
4.1.4 平面單元積分形式的單剛
4.1.5 平面單元的等效節點荷載
4.1.6 二維連續體的整體剛度方程
4.2 三節點三角形單元
4.2.1 三節點三角形單元節點力向量和節點位移向量
4.2.2 三節點三角形單元的形函式
4.2.3 面積坐標
4.2.4 三節點三角形單元的應變矩陣
4.2.5 三節點三角形單元的應力矩陣
4.2.6 三節點三角形單元單剛的顯式表達式
4.2.7 三節點三角形單元的等效節點荷載
4.2.8 局部節點應力平滑技術
4.2.9 單元內的應力分布
4.2.10 應力等值線算法
4.3 四節點四邊形單元
4.3.1 四節點四邊形等參單元的形函式
4.3.2 等參單元的一些基本變換
4.3.3 四節點四邊形等參單元的單剛
4.3.4 高斯積分
4.3.5 四節點四邊形等參單元的等效節點荷載
4.3.6 單元應力及最佳應力點
4.4 三維彈性力學問題有限元分析基礎
4.5 四節點四面體單元
4.5.1 基於直角坐標系的四節點四面體單元形函式
4.5.2 四節點四面體單元的一些基本變換
4.5.3 四節點四面體單元的應變矩陣
4.5.4 四節點四面體單元的應力矩陣
4.5.5 四節點四面體單元的顯式單剛
4.5.6 四節點四面體單元的等效節點荷載
4.6 八節點六面體單元
4.6.1 八節點六面體單元的形函式
4.6.2 八節點六面體單元的應變矩陣
4.6.4 八節點六面體單元的單剛
4.7 全域應力平滑技術
參考文獻
第5章 連續體結構應力分析程式
5.1 SOLID2D的計算模組入口程式
5.2 SOLID2D的計算模組主控程式
5.3 SOLID2D的計算總剛子程式
5.4 SOLID2D的單元調度程式
5.5 三節點三角形單元模組
5.5.1 三節點三角形單元主控模組
5.5.2 計算三節點三角形單元單剛子程式
5.5.3 計算三節點三角形單元應力子程式
5.5.4 計算三節點三角形單元光滑矩陣和光滑向量子程式
5.6 四節點四邊形單元模組
5.6.1 四節點四邊形單元主控模組
5.6.2 計算四節點四邊形單元單剛子程式
5.6.3 計算四節點四邊形單元高斯點處應力子程式
5.6.4 計算四節點四邊形單元光滑矩陣和光滑向量子程式
5.7 計算六節點三角形單元單剛子程式
5.8 計算十節點三角形單元單剛子程式
5.9 計算八節點四邊形單元單剛子程式
5.10 SOLID3D程式
5.10.1 SOLID3D簡介
5.10.2 計算八節點六面體單元單剛子程式
5.10.3 計算八節點六面體單元應力子程式
5.11 算例
5.11.1 算例1
5.11.2 算例2
5.11.3 算例3
參考文獻
第6章 溫度場問題有限單元法理論
6.1 傳熱學基本理論
6.1.2 二維問題導熱微分方程
6.1.3 三維問題導熱微分方程
6.1.4 初始條件和邊界條件
6.2.1 二維溫度場的泛函
6.2.2 二維溫度場問題有限元方程的推導
6.3 三節點三角形熱單元
6.3.1 平面求解區域的離散
6.3.2 三節點三角形熱單元的形函式
6.3.3 三節點三角形熱單元的導熱剛度矩陣
6.3.4 三節點三角形熱單元的蓄熱剛度矩陣
6.3.5 三節點三角形熱單元的邊界貢獻矩陣
6.3.6 三節點三角形熱單元的溫度荷載向量
6.4 四節點四邊形熱單元
6.4.1 四節點四邊形熱單元的形函式
6.4.2 四節點四邊形熱單元的導熱單剛
6.4.3 四節點四邊形熱單元的蓄熱單剛
6.4.4 四節點四邊形熱單元的邊界貢獻矩陣
6.4.5 四節點四邊形熱單元的溫度荷載向量
6.5 六節點三角形熱單元
6.5.1 六節點三角形熱單元的形函式
6.5.2 六節點三角形熱單元的導熱單剛
6.5.3 六節點三角形熱單元的蓄熱單剛
6.5.4 六節點三角形熱單元的邊界貢獻矩陣
6.5.5 六節點三角形熱單元的溫度荷載向量
6.6 二維熱阻單元
6.6.1 二維熱阻單元導熱單剛的積分公式
6.6.2 四節點矩形熱阻單元導熱單剛的顯式
6.6.3 六節點矩形熱阻單元導熱單剛的顯式
6.7 三維溫度場有限元分析理論
6.7.1 三維溫度場的泛函
6.7.2 三維溫度場問題有限元方程的推導
6.8 八節點六面體熱單元
6.8.1 八節點六面體熱單元的形函式及其對自然坐標的導數
6.8.2 八節點六面體熱單元的雅可比矩陣及B矩陣
6.8.3 三維曲面面積微元的變換公式
6.8.4 八節點六面體熱單元的導熱單剛
6.8.5 八節點六面體熱單元的蓄熱單剛
6.8.6 八節點六面體熱單元的邊界貢獻矩陣
6.8.7 八節點六面體熱單元的溫度荷載
6.9 三維熱阻單元
6.9.1 三維熱阻單元導熱單剛的積分公式
6.9.2 特殊三維熱阻單元導熱單剛的顯式
參考文獻
第7章 溫度場分析程式
7.1 二維溫度場分析程式TEMP2D
7.1.1 TEMP2D簡介
7.1.2 TEMP2D的模型數據
7.2 TEMP2D的計算模組入口程式
7.3 向後差分法數值計算模組總控子程式
7.3.1 向後差分算法
7.3.2 向後差分算法的總控子程式
7.4 計算導熱總剛子程式
7.5 計算蓄熱總剛子程式
7.6 形成總體溫度荷載向量子程式
7.7 三節點三角形熱單元模組
7.7.1 三節點三角形熱單元主控子程式
7.7.2 三節點三角形熱單元計算導熱單剛子程式
7.7.3 三節點三角形熱單元計算蓄熱單剛子程式
7.7.4 三節點三角形熱單元計算荷載向量子程式
7.8 四節點四邊形熱單元模組
7.8.1 四節點四邊形熱單元計算導熱單剛子程式
7.8.2 四節點四邊形熱單元計算蓄熱單剛子程式
7.9 四節點矩形熱阻單元模組
7.10 三維溫度場分析程式TEMP3D
7.10.1 計算八節點六面體熱單元導熱單剛子程式
7.10.2 計算八節點六面體熱單元蓄熱單剛子程式
7.10.3 計算八節點六面體熱單元溫度荷載向量子程式
7.11 算例
7.11.1 算例1
7.11.2 算例2
7.11.3 算例3
參考文獻
第8章 前處理技術
8.1 二維格線自動剖分的映射方法
8.2 二維格線自動剖分子程式
8.3 確定繪圖區坐標系統
8.3.1 確定整體坐標系的方法
8.3.2 建立整體坐標系的子程式
8.4 二維格線的顯示、填充、放縮及移動
8.4.1 二維有限元格線的顯示
8.4.2 二維有限元格線的填充
8.4.3 二維有限元格線的放縮及移動
8.5 互動編輯材料號和邊界號
8.5.1 編輯單元材料號
8.5.2 編輯溫度場問題的邊界號
8.5.3 編輯力學問題的邊界號
8.5.4 繪製矩形選擇框子程式
8.6 互動編輯荷載
8.6.1 編輯節點荷載
8.6.2 編輯單元荷載
8.7 三維格線的坐標變換
8.8 三維格線的消隱計算
8.8.1 一些基本概念
8.8.2 自遮擋隱藏面的確定
8.8.3 最終可見線段的確定
8.9 深度優先權排序表的確定
參考文獻
第9章 後處理技術
9.1 畫雲圖方法概述
9.2 顏色與場量的關係
9.2.1 顏色模型
9.2.2 顏色與場量的函式關係
9.3 掃描母元法原理
9.3.1 掃描母元法理論基礎
9.3.2 牛頓.拉夫遜法求自然坐標的過程
9.3.3 畫單元雲圖的過程
9.4 畫數據場雲圖的主要源程式
9.5 用掃描母元法畫三角形單元雲圖
9.5.1 畫三角形單元雲圖的原理
9.5.2 畫三角形單元雲圖的過程
9.6 三維數據場可見表面上雲圖
9.7 六面體單元任意剖面上雲圖
9.7.1 六面體等參單元插值公式
9.7.2 坐標變換及單元包圍盒
9.7.3 相關單元的判斷及點到平面的距離
9.7.4 確定像素的自然坐標(r,s,t)的方法
9.7.5 畫單元任意剖面上雲圖的步驟
9.7.6 套用實例
參考文獻
第10章 有限元理論與軟體發展展望
參考文獻