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出版者:国防工业出版社

作者:姚俊等

出品人:

页数:154

译者:

出版时间:2001-9

价格:9.00元

装帧:

isbn号码:9787118026177

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• 工程数学
• 矩阵分析
• 数值计算
• 科学计算
• 工程应用
• 线性代数
• 高等数学
• 算法
• 优化
• 建模

建筑结构设计中的非线性分析与优化 作者： 张伟, 李明, 王芳 出版社： 科学出版社 版次： 2023年第一版 页数： 680页 定价： 188.00元 --- 内容简介 本书深入探讨了现代土木工程领域，特别是复杂结构设计与分析中，所面临的非线性问题及其求解策略。随着建筑尺度和复杂度的不断增加，传统的基于线性弹性理论的分析方法已难以准确描述结构在极限承载、大变形或材料本构关系复杂情况下的真实受力状态。本书旨在为结构工程师、研究人员以及高年级本科生和研究生提供一套全面、系统且具有实践指导意义的非线性分析工具箱与理论框架。 全书共分为七个主要部分，层层递进，从理论基础到具体的数值实现与工程应用，力求做到理论深度与工程实用的完美结合。 第一部分：非线性问题的数学基础与工程背景 (约200字) 本部分首先回顾了结构分析的基本力学原理，并着重阐述了结构非线性现象的物理根源，包括几何非线性（大变形、屈曲）和材料非线性（弹塑性、蠕变、损伤）。随后，详细介绍了求解非线性微分方程组所需的数学工具，如牛顿-拉夫森迭代法、线搜索方法以及弧长法等基本数值方法的核心思想。强调了残余力、刚度矩阵的更新在迭代过程中的关键作用。 第二部分：几何非线性分析 (约250字) 几何非线性是理解结构失稳和屈曲行为的基石。本部分聚焦于如何将大变形效应纳入平衡方程。我们采用更新的拉格朗日描述（Updated Lagrangian）和固连参考系描述（Co-rotational formulation），推导出精确的二阶项，即几何刚度矩阵。具体章节详细分析了薄壳结构和悬臂梁在轴向荷载下的平衡路径，并重点讲解了如何使用奇异值分解（SVD）和下降路径追踪技术来识别和跟踪结构失稳点，尤其是在涉及复杂屈曲模式耦合的情况下。针对工程中常见的柱-梁节点区域的几何非线性，也提供了专门的简化模型。 第三部分：材料非线性模型与本构关系 (约300字) 材料的非线性特性是结构进入塑性或损伤状态的关键。本书系统地介绍了塑性理论的核心概念，包括屈服准则（如冯·米塞斯、德鲁克-普拉格）和流动法则。在混凝土结构方面，本书深入探讨了受拉开裂模型、受压软化模型以及混凝土的各向异性损伤模型。对于钢结构，则侧重于弹塑性滞回行为和Bauschinger效应的精确描述。关键内容包括内变量的演化方程以及如何将这些本构关系嵌入到有限元框架中，形成非线性材料切线刚度矩阵。同时，也探讨了粘弹性材料和蠕变行为在长期荷载下的影响。 第四部分：有限元离散化与非线性求解器 (约350字) 本部分是全书的核心技术部分，连接了理论模型与实际计算。我们详细阐述了如何将连续体的非线性微分方程通过伽辽金有限元法转化为离散化的代数方程组：$mathbf{R}(mathbf{u}) = mathbf{F}_{ext} - mathbf{F}_{int}(mathbf{u}) = mathbf{0}$。重点讲解了全/修正牛顿法的收敛特性和效率。 为应对复杂问题，本书介绍了先进的迭代策略，包括： 1. 线搜索方法（Line Search）：如Armijo准则和Goldstein准则，用于确保每次迭代步长的可靠性。 2. 预处理技术（Preconditioning）：特别是在处理大型稀疏刚度矩阵时的迭代求解器（如GMRES）的预处理策略。 3. 平衡路径追踪技术：如Riks方法和基于弧长增量的修正法，用于精确捕捉结构在承载力丧失点前后的响应。 第五部分：动态响应与显式/隐式积分 (约200字) 针对冲击、地震或爆炸等瞬态问题，本书引入了非线性动力学分析。详细对比了显式积分法（Explicit Integration）和隐式积分法（Implicit Integration）的适用范围、稳定性和计算成本。针对冲击工程，重点讲解了中心差分法在显式算法中的应用，以及如何设置合理的稳定时间步长。隐式方法则回归到静力分析的迭代求解框架，但需考虑时间导数项。 第六部分：程序实现与后处理技术 (约150字) 本章侧重于将理论转化为实际可操作的计算流程。探讨了如何高效地组织数据结构来存储和更新非对称的切线刚度矩阵。介绍了子结构技术在减少自由度以及提高迭代效率中的应用。此外，还讨论了后处理中如何识别和可视化塑性铰、裂缝扩展区域，以及如何通过能量平衡检查计算的准确性。 第七部分：工程案例分析 (约150字) 精选了三个具有代表性的复杂工程实例进行深入剖析： 1. 超高层建筑的P-$Delta$效应和风致颤振的非线性模态分析。 2. 钢-混凝土组合桥梁在极限荷载下的弹塑性响应模拟。 3. 地下结构在土体非线性作用下的稳定性和残余变形评估。 通过这些案例，读者能够清晰地看到非线性分析结果与传统线性分析结果的显著差异，并学习如何根据工程需求选择合适的分析模型和求解参数。 --- 本书特色： 理论严谨性： 严格遵循有限元变分原理，推导过程清晰，数学基础扎实。 实践导向： 包含大量关于算法稳定性和收敛性控制的工程经验和技巧。 覆盖面广： 同时涵盖几何非线性、材料非线性和动力学非线性三大核心领域。 适用对象： 土木工程、结构工程、力学、计算力学等相关专业的研究生、博士生，以及从事大型复杂结构设计和评估的高级结构工程师。

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阅读过程中，我最大的感受是这本书的“厚重感”。它不仅仅是一本介绍工程矩阵方法的书籍，更像是一部凝结了作者多年工程实践经验与理论研究成果的宝典。书中对于许多工程问题，比如动力学建模、有限元分析中的矩阵方程组求解等，都进行了深入的剖析，并给出了相应的矩阵方法解决方案。作者在解释一些关键概念时，比如特征值和特征向量的物理意义，并没有止步于数学定义，而是结合了振动分析、模态分析等工程应用场景，让我能更深刻地理解这些抽象概念与实际工程现象之间的联系。书中的例题设计也非常贴合工程实际，涵盖了从基础到进阶的各种难度，既能帮助读者巩固所学知识，又能激发他们独立思考和解决问题的能力。尤其令我印象深刻的是，书中在介绍一些较新的矩阵算法时，并没有回避其复杂性，而是通过巧妙的比喻和图示，将复杂的数学原理可视化，大大降低了理解门槛。这本书不仅是一本技术手册，更是一本能够启发思考、拓展视野的智慧之书。

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这本书，初见时，我以为它会是那种枯燥乏味的理论堆砌，但翻开第一页，就被它独特的视角吸引了。它不像市面上大多数同类书籍那样，上来就抛出一堆数学符号和抽象概念，而是将“工程”这个词牢牢地放在了核心位置，让我这个工程背景的读者感到格外亲切。书中将复杂的矩阵理论巧妙地融入到实际工程问题中，比如结构分析、信号处理、优化设计等，通过一个个生动的案例，我仿佛亲手操作着那些抽象的数学工具，去解决一个又一个具体的工程难题。作者在讲解时，并没有回避理论的严谨性，但更注重的是如何让读者理解这些理论在工程应用中的意义和价值。这种“理论服务于实践”的教学思路，让我深刻体会到数学工具的强大之处，也激发了我进一步探索矩阵理论在其他工程领域潜力的兴趣。我特别喜欢其中关于数值稳定性的一章，它用非常直观的方式解释了数值计算中常见的误差来源，并给出了切实可行的避免策略，这对我日常的仿真工作来说，简直是雪中送炭。这本书就像一位经验丰富的工程师，用最接地气的方式，将高深的数学知识化繁为简，让我受益匪浅。

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这本书给我带来的惊喜，在于它对“方法”二字的深刻解读。作者并非仅仅罗列各种矩阵方法，而是强调了选择合适方法的“工程智慧”。书中花了不少篇幅讨论如何根据工程问题的特点（如规模、精度要求、计算资源等），来选择最有效的矩阵算法。比如，在讲解大型稀疏矩阵的求解时，书中对直接法和迭代法进行了详尽的比较，并根据不同情况给出了明确的建议。这种“授人以鱼不如授人以渔”的教学理念，让我受益匪浅。此外，书中对矩阵运算的数值稳定性和精度问题也非常关注，这对于工程计算至关重要。作者通过具体的算例，展示了不当的矩阵运算可能导致的灾难性后果，并提供了避免这些问题的有效途径。我特别欣赏书中对“问题建模”的强调，它鼓励读者在动手计算之前，先要对工程问题进行充分的理解和数学建模，将实际问题转化为矩阵形式。这本书让我认识到，掌握工程矩阵方法，不仅仅是学习算法，更重要的是培养一种严谨、高效的工程思维。

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坦白说，最初拿到这本书时，我对它是否能真正解决我在工程实践中遇到的矩阵问题抱有疑虑。但随着阅读的深入，我的疑虑逐渐被一种深刻的认同感所取代。这本书并非只停留在理论的象牙塔，而是将大量现实工程中的痛点作为切入点，然后引出与之相关的矩阵理论和方法。比如，在处理包含不确定性的工程问题时，书中会详细讲解如何利用随机矩阵理论和贝叶斯方法来构建模型，并给出相应的计算流程。作者在讲解过程中，并没有使用过多的专业术语，而是用清晰、简洁的语言，辅以大量图示和表格，使得复杂的概念变得易于理解。我尤其欣赏书中关于矩阵填充（Matrix Completion）和降秩近似（Rank-Restricted Approximation）的内容，这在许多数据处理和模式识别的应用中都非常实用。这本书就像一位经验丰富的工程师，在与我进行一次深入的交流，分享他解决复杂工程问题的宝贵经验，让我不仅学到了知识，更受到了启发。

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不得不说，这本书在内容安排上独具匠心。它并没有按照传统的数学书籍那样，先铺垫大量的线性代数基础，而是将工程背景知识与矩阵理论的引入紧密结合。例如，在讲解矩阵分解时，书中并非直接给出SVD或LU分解的定义，而是先提出一个实际的工程问题，比如如何从大量测量数据中提取关键信息，然后引出这些分解方法在解决这类问题时的必要性和优越性。这种“带着问题学数学”的方式，极大地提升了我的学习动力。而且，书中对算法的讲解也非常到位，不仅仅停留在理论层面，还提供了伪代码和一些关键的实现技巧，这对于想要将理论转化为实际代码的读者来说，是极大的福音。我尤其欣赏书中关于迭代求解方法的部分，它详细阐述了共轭梯度法、GMRES等算法的原理、收敛条件以及在不同问题下的适用性，并辅以图表和算例，使得抽象的算法过程变得清晰可见。这本书让我明白，矩阵方法不仅仅是一套数学工具，更是一种解决复杂工程问题的思维方式。

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