无网格法理论及程序设计

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出版者:山东大学出版社
作者:刘桂荣
出品人:
页数:347
译者:
出版时间:2007-3
价格:68.00元
装帧:
isbn号码:9787560732909
丛书系列:
图书标签:
  • 计算力学
  • 计算力学5
  • 卡口
  • 无网格法
  • 数值分析
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具体描述

《无网格法理论及程序设计》以简明易懂的方式系统而全面地介绍了现有各种无网格法的基本理论及程序设计,使初学者能够极为方便地理解和掌握有关原理及编程技术,并在此基础上更好地完善和发展现有算法或利用它们解决实际应用问题。该书首先简要介绍了与无网格法有关的数值分析基础理论,然后系统而详细地讲解了现有各种典型无网格方法,如EFG、RPIM、MLPG、LRPIM和MWS的公式形成过程,数值实现技术及程序设计方法。书中附有作者所开发的并已通过大量算例检验过的源程序代码及详细的程序设计和使用说明。利用书中以列表形式所给出的算例输入、输出文件可非常方便地使用这些程序。这些程序已包含了现有各种典型无网格法所涉及的大部分基本技术,在此基础上经必要的扩充或修改可方便地形成各种更为复杂的无网格算法。通过应用这些程序也将有助于读者更有效地学习和掌握无网格法的基本理论。

好的,这是一本探讨有限元方法(FEM)原理、应用与先进数值技术相结合的专著。 --- 《基于多尺度分析的复杂结构优化设计与智能仿真》 作者: [此处可设作者姓名] 出版社: [此处可设出版社名称] 出版年份: [此处可设年份] ISBN: [此处可设ISBN号] 内容简介 本书聚焦于现代工程力学、计算数学与先进材料科学交叉领域的前沿课题——复杂结构在多尺度荷载与环境条件下的优化设计与智能仿真。面对航空航天、土木工程、生物医学以及先进制造等领域日益增长的高精度、高可靠性需求,传统的线性、均质材料模型和单一尺度分析方法已暴露出局限性。本书旨在系统构建一套从微观材料本构到宏观结构响应的完整多尺度分析框架,并深度融合人工智能与机器学习技术,实现工程问题的智能化求解与设计迭代。 全书内容覆盖面广,理论深度与工程实用性并重,共分为六大部分,涵盖了从基础理论到前沿应用的多个关键环节。 第一部分:结构分析的数学基础与先进数值方法回顾 本部分首先回顾了描述连续介质力学问题的偏微分方程基础,重点阐述了描述材料非线性、几何非线性和接触大变形问题的控制方程组。随后,对当前主流的数值离散技术进行了深入的对比分析: 1. 有限差分法(FDM)在简单几何体上的适用性及网格生成策略。 2. 经典有限元方法(FEM)的变分原理、形函数构造、刚度矩阵装配与求解技术,特别是对高阶单元、奇异点处理的讨论。 3. 边界元方法(BEM)在处理无限域问题和简化边界处理方面的优势与局限性分析。 4. 着重探讨了混合有限元方法(Mixed FEM)在处理不可压缩材料和复杂约束问题中的理论优势,包括其稳定化技术和对鞍点问题的处理策略。 第二部分:多尺度建模与本构关系 复杂结构的设计优化,前提是对材料行为有准确的微观描述。本部分的核心在于构建从微观到介观、再到宏观的材料行为传递机制。 1. 微观结构建模: 针对晶体材料、复合材料(如纤维增强复合材料、层状结构)和多孔材料,介绍了晶格模型、分子动力学(MD)模拟的基础框架,以及如何提取其均质化参数。 2. 介观尺度分析: 重点讨论了随机损伤模型和断裂演化的介观描述。引入随机有限元方法(S-FEM)来处理材料参数的空间不确定性。 3. 多尺度耦合方法: 详细阐述了如何利用子尺度分析(Sub-scale Analysis)和周期性边界条件将微观尺度信息传递至宏观有限元模型。探讨了基于粗化网格法(Coarse-graining)的多尺度方法,如多尺度有限元法(MsFEM)的核心算法、插值策略及计算效率提升。 4. 损伤与疲劳本构: 介绍了内聚力模型(Cohesive Zone Model, CZM)在模拟裂纹萌生与扩展中的应用,以及基于能量释放率的疲劳寿命预测模型。 第三部分:几何复杂结构与拓扑优化设计 现代工程要求结构具有轻质化、高刚度和特定功能集成性。本部分围绕结构拓扑优化展开,力求实现从概念设计到详细设计的无缝衔接。 1. 拓扑优化基础理论: 详细介绍基于密度法的固体各向同性材料惩罚(SIMP)模型、水平集方法(Level Set Method)在描述清晰几何边界上的优势,以及阶梯函数法(BESO)的迭代过程。 2. 约束条件的引入: 讨论应力约束、屈服约束、本征频率约束以及基于稳健性的约束处理技术。 3. 结构化设计与制造约束: 针对增材制造(3D打印)的需求,引入了最小特征尺寸约束、悬垂角约束和各向异性材料铺层优化的求解算法,确保优化结果的可制造性。 4. 多目标与拓扑形貌优化: 引入帕累托前沿(Pareto Front)的概念,利用遗传算法或近似梯度方法处理多目标优化问题(如刚度最大化与质量最小化)。 第四部分:接触、大变形与非线性动力学分析 工程场景中不可避免地涉及结构间的相互作用和快速载荷变化,对非线性求解器的鲁棒性提出了极高要求。 1. 接触算法: 深入分析了罚函数法、增广拉格朗日法以及面面接触算法,并重点介绍了在高速冲击和摩擦工况下,适用于显式动力学分析的接触检测与求解策略。 2. 材料与几何非线性: 详细论述了牛顿法、修正牛顿法等隐式求解器中的线搜索技术和弧长法,以保证大变形问题下的收敛性。 3. 非线性动力学: 讨论了特征向量法、模态叠加法在非线性系统中的适用性,以及全隐式和半隐式时间积分方案在处理强非线性冲击问题中的效率与精度权衡。 第五部分:智能计算方法在仿真中的集成应用 为应对传统数值方法在处理高维参数空间和复杂模型误差时的不足,本部分系统介绍了将数据驱动方法融入仿真流程的前沿技术。 1. 代理模型(Surrogate Modeling): 介绍了高斯过程回归(Kriging)、径向基函数(RBF)在替代昂贵的有限元计算中的构建方法,尤其适用于参数不确定性分析和优化迭代。 2. 降阶模型(Reduced Order Models, ROMs): 详细讲解了本征正交分解法(POD)和模态分析方法在构建快速预测模型方面的应用,用于实时响应预测和反馈控制。 3. 数据驱动的误差校正: 利用物理信息神经网络(PINNs)或深度学习方法,对传统数值模拟中累积的系统误差和模型误差进行后处理校正,以提高仿真结果的准确性。 第六部分:案例分析与工程实例 本部分通过数个具有挑战性的工程案例,展示前述理论和方法的实际应用效果: 1. 先进复合材料层合板的冲击损伤评估: 结合多尺度本构与CZM,模拟高速弹丸穿透过程。 2. 增材制造金属部件的残余应力分析与优化: 结合冶金过程的温度场模拟与结构应力分析的耦合策略。 3. 高精度机械臂的轻量化与刚度分配: 应用拓扑优化和ROMs技术,实现实时运动学仿真与设计参数的快速评估。 本书面向结构工程、力学、计算科学、材料科学等相关专业的高年级本科生、研究生以及从事高端结构设计与分析的工程技术人员。通过对复杂问题的多层次、跨尺度、智能化处理,读者将掌握构建新一代高性能结构仿真与优化设计工具的核心能力。

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读后感

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用户评价

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这本《无网格法理论及程序设计》着实让我眼前一亮,从一个完全崭新的视角审视了数值计算的边界。我一直对那些能够摆脱传统网格束缚的方法充满好奇,因为我知道,在处理复杂几何形状、动态边界以及高精度要求的问题时,网格法往往会显得力不从心,甚至需要付出巨大的计算代价去适应。这本书恰恰填补了我在这一领域的知识空白。它没有止步于理论的阐述,而是将“理论”与“程序设计”紧密结合,这对于像我这样既想理解其精髓,又渴望将其付诸实践的读者来说,无疑是巨大的福音。书中对无网格法的基本概念、核心算法的推导过程清晰且富有条理,让我能够逐步构建起对其内在机制的理解。更重要的是,它提供的程序设计指导,不仅仅是简单的代码片段堆砌,而是深入浅出地解析了如何在实际编程中实现这些算法,例如在 C++ 或 Python 等语言中如何构建数据结构、实现插值算法、处理边界条件等等。我尤其欣赏作者在讨论不同类型的无网格法时,所做的详尽比较和应用场景分析,这让我能够根据具体的问题选择最合适的工具。读完这本书,我对无网格法在流体力学、固体力学、热传导等领域的潜力有了更深刻的认识,也对接下来的科研工作充满了信心。

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当我翻开《无网格法理论及程序设计》时,我立刻被它严谨而又不失灵动的学术风格所吸引。作者仿佛是一位经验丰富的引路人,带领我穿梭于计算科学的幽深小径。这本书的魅力在于,它并没有将无网格法描绘成一个包罗万象的银弹,而是以一种审慎的态度,详细剖析了其理论基础的精妙之处,以及在实际应用中可能遇到的挑战。从数学原理的推导,到算法的实现细节,都力求做到严谨求证,每一个公式、每一个步骤都经过了深思熟虑。我特别喜欢其中关于各种无网格法变种的介绍,比如光滑粒子动力学(SPH)、无网格伽辽金法(FEM-free)等等,它们各自的优缺点、适用的问题域被清晰地阐述出来,这对于我们这些在研究中需要做技术选型的科研人员来说,简直是宝贵的参考指南。书中穿插的多个案例研究,更是将抽象的理论具象化,让我能够直观地感受到无网格法在解决实际工程问题时的强大威力。即使是对于一些较复杂的编程实现,作者也给出了详尽的解释和代码示例,这使得即使我不是编程领域的专家,也能逐步理解并尝试复现。这本书不仅是知识的传递,更是一种思维方式的启迪,让我开始重新思考如何以更灵活、更有效的方式来应对数值模拟中的难题。

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一直以来,我都在寻找能够突破传统数值方法局限的工具,《无网格法理论及程序设计》这本书无疑满足了我的这一期待。它以一种开拓性的姿态,向我展示了一种摆脱离散化网格束缚的计算新范式。这本书最大的价值在于,它清晰地阐释了无网格法的核心思想——即在求解区域内,利用一组不规则分布的节点来逼近物理场,从而避免了网格生成和重构带来的复杂性和计算开销。作者在理论部分,循序渐进地讲解了各种无网格法的基本原理,包括位移叠加法(Element-free Galerkin, EF-GFM)、无网格逼近法(Meshless Local Petrov-Galerkin, MLPG)等,并对它们之间的联系与区别进行了深入的探讨。令人惊喜的是,本书并没有停留在纯理论的层面,而是花费了大量篇幅来讲述如何将这些理论转化为实际可执行的计算机程序。从数据结构的构建,到数值积分的实现,再到求解线性方程组的策略,书中都提供了具体而富有指导意义的程序设计示例,这对于我这样动手能力较强的读者来说,无疑是打开了一扇通往实际应用的大门。通过阅读本书,我对无网格法在解决如断裂力学、流体边界层等复杂问题时的巨大潜力有了更深刻的认识,也激发了我进一步深入研究和应用的热情。

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从一个实践者的角度来看,《无网格法理论及程序设计》这本书绝对是一部不可多得的佳作。在我的工作中,经常会遇到那些对网格生成要求极高,或者边界条件复杂多变的工程问题,传统的有限元方法常常在此显得捉襟见肘。这本书则为我提供了一种全新的解决思路。它并没有回避无网格法在理论上的抽象性,而是用一种非常接地气的方式,层层剥开了它的神秘面纱。从形函数插值到节点离散化,再到具体的数值求解算法,作者都给出了详细的步骤和清晰的解释,让我能够一步步地理解其精髓。而程序设计的部分,更是让我爱不释手。书中提供的代码示例,虽然不是可以直接运行的“黑盒子”,但其结构清晰,逻辑严谨,包含了大量的注释和解释,这让我能够轻松地理解每一段代码的功能,并且能够根据自己的需求进行修改和扩展。我特别欣赏书中对于如何高效地处理近邻搜索和如何优化计算效率的讨论,这些都是在实际应用中至关重要的问题。通过阅读本书,我不仅对无网格法的理论有了更深入的理解,更重要的是,我获得了将其应用于实际工程问题解决的能力,这对我而言,无疑是一笔宝贵的财富。

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作为一名多年从事计算领域研究的学者,我对各种数值方法都保持着高度的关注。《无网格法理论及程序设计》这本书,以其对无网格法从理论到实践的全面梳理,给我留下了深刻的印象。这本书并非仅仅是对现有研究成果的简单罗列,而是展现了一种深度和广度兼备的视角。作者在理论部分的阐述,深入浅出,从最基本的概念出发,逐步构建起无网格法的数学框架,对于诸如形函数构造、核函数选择、离散化方法等关键技术,都进行了详尽的讲解,并且不回避其中的难点和争议。而在程序设计方面,这本书更是亮点频出。它提供的不仅仅是通用的算法思路,而是结合了具体编程语言和库的实现策略,例如如何高效地构建粒子数据结构、如何进行近邻搜索、如何实现求解器等等,这对于想要将无网格法应用于实际工程问题的研究者来说,具有极高的参考价值。我个人尤其对书中关于如何处理复杂边界条件以及如何提高计算效率的讨论非常感兴趣,这往往是限制无网格法广泛应用的关键瓶颈。总的来说,这本书为我提供了一个系统学习和掌握无网格法的绝佳平台,让我能够更清晰地认识到其在未来计算科学发展中的重要地位。

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