有限元方法基础理论

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出版者:世界图书出版公司
作者:监凯维奇 (O.C. Zienkiewicz. R.L. Taylor)
出品人:
页数:733
译者:
出版时间:2008-9-1
价格:115.00元
装帧:平装
isbn号码:9787506292542
丛书系列:有限元方法
图书标签:
  • 有限元
  • 数学
  • 数值计算
  • 计算数学
  • 计算力学7
  • 计算力学
  • 有限元方法
  • 数值分析
  • 结构力学
  • 计算力学
  • 科学计算
  • 工程数学
  • 偏微分方程
  • 数值模拟
  • MATLAB
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具体描述

《有限元方法基础论第6版》的特点是理论可靠,内容全面,既有基础理论,又有其具体应用。第1卷目次:标准的离散系统和有限元方法的起源;弹性力学问题的直接方法;有限元概念的推广,Galerkin加权残数和变分法;‘标准的’和‘晋级的’单元形函数:Co连续性单元族;映射单元和数值积分—无限元和奇异元;线性弹性问题;场问题—热传导、电磁势、流体流动;自动网格生成;拼法试验,简缩积分和非协调元;混合公式和约束—完全场方法;不可压缩材料,混合方法和其它解法;多区域混合逼近-区域分解和“框架”方法;误差、恢复过程和误差估计;自适应有限元细分;以点为基础和单元分割的近似,扩展的有限元方法;时间维-场的半离散化、动力学问题以及分析解方法;时间维—时间的离散化近似;耦合系统;有限元分析和计算机处理。

结构力学导论 本书旨在为初学者系统介绍结构力学的基本概念、分析方法与应用。我们将从最基础的杆件受力分析出发,逐步深入到梁、桁架、框架等典型工程结构。 核心内容概览: 第一部分:基本概念与假设 力的基本性质: 力的定义、分类(集度力、分布力、内力、外力),力的矢量特性,力的平衡与不平衡。 材料的力学性能: 弹性、塑性、强度、刚度、稳定性等基本概念。应力与应变的定义,胡克定律及其应用。 截面法: 引入截面法这一核心工具,用于分析结构内部的应力状态。讲解如何选择截面、确定内力(轴力、剪力、弯矩、扭矩)的正负号约定。 静力学平衡方程: 二维和三维空间的力平衡方程,力矩平衡方程。强调在分析结构时,必须满足整体和局部的力学平衡。 第二部分:杆件与桁架分析 轴向受力杆件: 详细阐述轴力在杆件中的传递,以及由此产生的正应力。推导轴向变形的计算公式。 桁架结构: 介绍桁架的定义、组成与类型。重点讲解节点法和截面法在桁架内力分析中的应用,包括零杆的识别。 超静定桁架: 简要介绍超静定结构的概念,并给出初步的分析思路。 第三部分:梁的弯曲与剪切 梁的分类与支承: 介绍悬臂梁、简支梁、固定梁等不同类型的梁,以及它们常见的支承方式(铰支、滚动支座)。 弯矩与剪力图: 详细讲解绘制梁的弯矩图和剪力图的方法,以及它们与荷载和力的关系。理解弯矩和剪力图的形状与工程应用中的梁的变形、应力分布的联系。 梁的弯曲正应力: 推导梁的弯曲正应力公式,讲解中性轴的概念,以及不同截面形状下正应力的分布特点。 梁的剪切应力: 推导梁的剪切应力公式,讲解剪切应力在梁截面上的分布规律,及其与剪力的关系。 梁的变形: 介绍梁的挠度和转角概念,讲解弯曲叠加原理,并介绍几种典型梁的挠曲线计算方法。 第四部分:框架与组合结构 平面框架: 介绍平面框架的结构特点,以及如何应用前面学到的方法分析框架的内力。 组合结构: 讨论由杆件、桁架、梁等构件组成的复杂结构的分析思路。 第五部分:应力与应变分析基础 广义胡克定律: 介绍在三维应力状态下,材料的应力与应变之间的关系。 应力张量与应变张量: 引入应力张量和应变张量的概念,用于描述任意点、任意方向的应力与应变状态。 主应力与主应变: 讲解如何通过坐标变换找到主应力方向,并推导主应力与应力张量的关系。 学习目标: 通过学习本书,您将能够: 掌握结构力学中最基本、最核心的分析原理和方法。 理解并能够绘制典型工程结构(如桁架、梁)的内力图。 计算杆件、梁等构件在受力作用下的应力和变形。 具备分析简单平面框架的能力。 为后续学习更复杂的结构力学理论(如弹性力学、有限元方法)打下坚实的基础。 适合读者: 本书适合土木工程、机械工程、航空航天工程、桥梁工程、建筑工程等相关专业的本科生,以及对结构力学感兴趣的工程师和技术人员。本书假定读者具备一定的大学数学基础,如微积分和线性代数。 本书特色: 概念清晰,循序渐进: 从易到难,逐步引入新的概念和方法,确保读者能够扎实掌握。 例题丰富,图文并茂: 配备大量精心设计的例题,并辅以清晰的示意图,帮助读者理解抽象的理论。 强调方法,注重应用: 突出各种分析方法的通用性和实际工程中的应用。 语言严谨,表达流畅: 力求语言的准确性和简洁性,便于阅读理解。 本书力求以最直观、最系统的方式,为您打开结构力学的大门。我们相信,扎实的结构力学基础将是您在工程领域取得成功的关键。

作者简介

O.C.Zienkiewicz教授,英国Swansea大学的荣誉退休教授,是该校工程数值方法研究所的原主任,现在仍然是西班牙巴塞罗那Calalunya技术大学工程数值方法的UNESCO主席。从1961至1989年,担任Swansea大学土木工程系的主任,使该系成为有限元研究的重要中心之一。在1968年,创办了International Journal for NumericalMethods in Engineering杂志并任主编,该杂志至今仍然是该领域的主要刊物。他被授予24个荣誉学位和多种奖励。Zienkiewicz教授还是5所科学院的院士,这是对他在有限元方法领域的奠基性发展和贡献的赞誉。1978年,成为皇家科学院和皇家工程院的院士;并先后被选为美国工程院的外籍院士(1981),波兰科学院院士(1985),中国科学院院士(1998)和意大利国家科学院院士(1999)。1967年,他出版了本书的第1版,直到1971年,本书的第1版仍然是该领域的惟一书籍。

R.L.Taylor教授在结构和固体力学建模和仿真方面,具有35年的经历,其中在工业界工作2年。1991年,被选为美国国家工程院的院士,以表彰他对计算力学领域的教育和研究的贡献。1992年,被任命为T.Y.和Margaret Lin工程教授;1994年,获得Berkeley Citation奖,这是加利福尼亚大学伯克利分校的最高荣誉奖。1997年,Taylor教授成为美国计算力学学会的资深会员,并在最近被选为国际计算力学学会的资深会员,并获得了USACM John von Neumann奖章。Taylor教授编写了几套应用于结构和非结构系统的有限元分析的计算机程序,FEAP是其中之一,在世界各国的教学和研究领域得到了广泛的应用。现在FEAP更全面地结合于本书中以展示非线性和有限变形的问题。

目录信息

Preface
1 The standard discrete system and origins of the finite element method
1.1 Introduction
1.2 The structural element and the structural system
1.3 Assembly and analysis of a structure
1.4 The boundary conditions
1.5 Electrical and fluid networks
1.6 The general pattern
1.7 The standard discrete system
1.8 Transformation of coordinates
1.9 Problems
2 A direct physical approach to problems in elasticity: plane stress
2.1 Introduction
2.2 Direct formulation of finite element characteristics
2.3 Generalization to the whole region - internal nodal force concept abandoned
2.4 Displacement approach as a minimization of total potential energy
2.5 Convergence criteria
2.6 Discretization error and convergence rate
2.7 Displacement functions with discontinuity between elements -non-conforming elements and the patch test
2.8 Finite element solution process
2.9 Numerical examples
2.10 Concluding remarks
2.11 Problems
3 Generalization of the finite element concepts. Galerkin-weighted residual and variational approaches
3.1 Introduction
3.2 Integral or 'weak' statements equivalent to the differential equations
3.3 Approximation to integral formulations: the weighted residual-Galerkin method
3.4 Vitual work as the 'weak form' of equilibrium equations for analysis of solids or fluids
3.5 Partial discretization
3.6 Convergence
3.7 What are 'variational principles' ?
3.8 'Natural' variational principles and their relation to governing differential equations
3.9 Establishment of natural variational principles for linear, self-adjoint, differentaal equations
3.10 Maximum, minimum, or a saddle point?
3.11 Constrained variational principles. Lagrange multipliers
3.12 Constrained variational principles. Penalty function and perturbed lagrangian methods
3.13 Least squares approximations
3.14 Concluding remarks - finite difference and boundary methods
3.15 Problems
4 Standard' and 'hierarchical' element shape functions: some general families of Co continuity
4.1 Introduction
4.2 Standard and hierarchical concepts
4.3 Rectangular elements - some preliminary considerations
4.4 Completeness of polynomials
4.5 Rectangular elements - Lagrange family
4.6 Rectangular dements - 'serendipity' family
4.7 Triangular element family
4.8 Line elements
4.9 Rectangular prisms - Lagrange family
4.10 Rectangular prisms - 'serendipity' family
4.11 Tetrahedral dements
4.12 Other simple three-dimensional elements
4.13 Hierarchic polynomials in one dimension
4.14 Two- and three-dimensional, hierarchical elements of the 'rectangle' or 'brick' type
4.15 Triangle and tetrahedron family
4.16 Improvement of conditioning with hierarchical forms
4.17 Global and local finite element approximation
4.18 Elimination of internal parameters before assembly - substructures
4.19 Concluding remarks
4.20 Problems
5 Mapped elements and numerical integration - 'infinite' and 'singularity elements'
5.1 Introduction
5.2 Use of 'shape functions' in the establishment of coordinate transformations
5.3 Geometrical conformity of elements
5.4 Variation of the unknown function within distorted, curvilinear elements. Continuity requirements
5.5 Evaluation of element matrices. Transformation in ε, η, ζ coordinates
5.6 Evaluation of element matrices. Transformation in area and volumecoordinates
5.7 Order of convergence for mapped elements
5.8 Shape functions by degeneration
5.9 Numerical integration - one dimensional
5.10 Numerical integration - rectangular (2D) or brick regions (3D)
5.11 Numerical integration - triangular or tetrahedral regions
5.12 Required order of numerical integration
5.13 Generation of finite element meshes by mapping. Blending functions
5.14 Infinite domains and infinite elements
5.15 Singular elements by mapping - use in fracture mechanics, etc.
5.16 Computational advantage of numerically integrated finite elements
5.17 Problems
6 Problems in linear elasticity
6.1 Introduction
6.2 Governing equations
6.3 Finite element approximation
6.4 Reporting of results: displacements, strains and stresses
6.5 Numerical examples
6.6 Problems
7 Field problems - heat conduction, electric and magnetic potential and fluid flow
7.1 Introduction
7.2 General quasi-harmonic equation
7.3 Finite element solution process
7.4 Partial discretization - transient problems
7.5 Numerical examples - an assessment of accuracy
7.6 Concluding remarks
7.7 Problems
8 Automatic mesh generation
8.1 Introduction
8.2 Two-dimensional mesh generation - advancing front method
8.3 Surface mesh generation
8.4 Three-dimensional mesh generation - Delaunay triangulation
8.5 Concluding remarks
8.6 Problems
9 The patch test, reduced integration, and non-conforming elements
9.1 Introduction
9.2 Convergence requirements
9.3 The simple patch test (tests A and B) - a necessary condition for convergence
9.4 Generalized patch test (test C) and the single-element test
9.5 The generality of a numerical patch test
9.6 Higher order patch tests
9.7 Application of the patch test to plane elasticity dements with 'standard' and 'reduced' quadrature
9.8 Application of the patch test to an incompatible element
9.9 Higher order patch test - assessment of robustness
9.10 Concluding remarks
9.11 Problems
10 Mixed formulation and constraints - complete field methods
10.1 Introduction
10.2 Discretization of mixed forms - some general remarks
10.3 Stability of mixed approximation. The patch test
10.4 Two-fidd mixed formulation in elasticity
10.5 Three-field mixed formulations in elasticity
10.6 Complementary forms with direct constraint
10.7 Concluding remarks - mixed formulation or a test of element 'robustness'
10.8 Problems
11 Incompressible problems, mixed methods and other procedures of solution
11.1 Introduction
11.2 Deviatoric stress and strain, pressure and volume change
11.3 Two-field incompressible elasticity (up form)
11.4 Three-field nearly incompressible elasticity (u-p-~o form)
11.5 Reduced and selective integration and its equivalence to penalized mixed problems
11.6 A simple iterative solution process for mixed problems: Uzawa method
11.7 Stabilized methods for some mixed elements failing the incompressibility patch test
11.8 Concluding remarks
11.9 Problems
12 Multidomain mixed approximations - domain decomposition and 'frame' methods
12.1 Introduction
12.2 Linking of two or more subdomains by Lagrange multipliers
12.3 Linking of two or more subdomains by perturbed lagrangian and penalty methods
12.4 Interface displacement 'frame'
12.5 Linking of boundary (or Trefftz)-type solution by the 'frame' of specified displacements
12.6 Subdomains with 'standard' elements and global functions
12.7 Concluding remarks
12.8 Problems
13 Errors, recovery processes and error estimates
13.1 Definition of errors
13.2 Superconvergence and optimal sampling points
13.3 Recovery of gradients and stresses
13.4 Superconvergent patch recovery -, SPR
13.5 Recovery by equilibration of patches - REP
13.6 Error estimates by recovery
13.7 Residual-based methods
13.8 Asymptotic behaviour and robustness of error estimators - the Babuska patch test
13.9 Bounds on quantities of interest
13.10 Which errors should concern us?
13.11 Problems
14 Adaptive finite element refinement
14.1 Introduction
14.2 Adaptive h-refinement
14.3 p-refinement and hp-refinement
14.4 Concluding remarks
14.5 Problems
15 Point-based and partition of unity approximations. Extended finite element methods
15.1 Introduction
15.2 Function approximation
15.3 Moving least squares approximations - restoration of continuity of approximation
15.4 Hierarchical enhancement of moving least squares expansions
15.5 Point collocation - finite point methods
15.6 Galerkin weighting and finite volume methods
15.7 Use of hierarchic and special functions based on standard finite elements satisfying the partition of unity requirement
15.8 Concluding remarks
15.9 Problems
16 The time dimension - semi-discretization of field and dynamic problems and analytical solution procedures
16.1 Introduction
16.2 Direct formulation of time-dependent problems with spatial finite element subdivision
16.3 General classification
16.4 Free response - eigenvalues for second-order problems and dynamic vibration
16.5 Free response - eigenvalues for first-order problems and heat conduction, etc.
16.6 Free response - damped dynamic eigenvalues
16.7 Forced periodic response
16.8 Transient response by analytical procedures
16.9 Symmetry and repeatability
16.10 Problems
17 The time dimension - discrete approximation in time
17.1 Introduction
17.2 Simple time-step algorithms for the first-order equation
17.3 General single-step algorithms for first- and second-order equations
17.4 Stability of general algorithms
17.5 Multistep recurrence algorithms
17.6 Some remarks on general performance of numerical algorithms
17.7 Time discontinuous Galerkin approximation
17.8 Concluding remarks
17.9 Problems
18 Coupled systems
18.1 Coupled problems - definition and classification
18.2 Fluid-structure interaction (Class I problems)
18.3 Soil-pore fluid interaction (Class II problems)
18.4 Partitioned single-phase systems - implicit--explicit partitions(Class I problems)
18.5 Staggered solution processes
18.6 Concluding remarks
19 Computer procedures for finite dement analysis
19.1 Introduction
19.2 Pre-processing module: mesh creation
19.3 Solution module
19.4 Post-processor module
19.5 User modules
Appendix A: Matrix algebra
Appendix B: Tensor-indicial notation in the approximation of elasticity problems
Appendix C: Solution of simultaneous linear algebraic equations
Appendix D: Some integration formulae for a triangle
Appendix E: Some integration formulae for a tetrahedron
Appendix F: Some vector algebra
Appendix G: Integration by parts in two or three dimensions (Green's theorem)
Appendix H: Solutions exact at nodes
Appendix I: Matrix diagonalization or lumping
Author index
Subject index
· · · · · · (收起)

读后感

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今天查书的第一作者时,发现作者已经去世了,在2009年的时候。 http://www.swan.ac.uk/engineering/computational/zienkiewicz/ http://blog.sina.com.cn/s/blog_48c735630100oyam.html 查了他老人家的背景,原来是帝国理工毕业的,拿了2个博士学位。很厉害的人物。现在还剩下...

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用户评价

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这本书的排版和插图简直是一场视觉盛宴,极大地提升了阅读体验。在处理复杂的数学推导时,作者巧妙地运用了双栏布局和不同字体的变化,使得重点信息一目了然,极大地减轻了阅读疲劳。那些关键的推导过程,如变分原理的建立、形函数矩阵的构建,都配有详尽的图示说明。我特别喜欢书中关于边界条件处理的部分,作者通过对比不同类型的边界条件(如狄利克雷、诺伊曼)在单元刚度矩阵上的具体体现,让我对抽象的物理约束如何在数学模型中得以实现有了豁然开朗的感觉。此外,书中的习题设计也非常巧妙,它们不仅是对前面知识点的简单重复,更多的是引导性的思考题,要求读者将理论与实际问题相结合,真正做到学以致用。对于想要深入研究有限元方法,并希望将其应用于实际项目中的工程师或研究生来说,这本教材无疑是一份宝贵的财富。

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手捧《有限元方法基础理论》这本书,首先映入眼帘的是它那严谨的封面设计,给人一种厚重而可靠的感觉,仿佛这本书本身就是一座知识的堡垒。我原本以为这是一本枯燥的教科书,但翻开第一页,就被作者娓娓道来的叙述方式所吸引。书中对偏微分方程的物理背景介绍得非常到位,让我这个初学者也能迅速理解有限元方法诞生的初衷和它在工程实践中的重要性。作者并没有急于抛出复杂的数学公式,而是先从最直观的物理模型入手,讲解了什么是离散化,什么是插值函数,这些概念的引入都恰到好处,如同搭积木一样,一步步构建起我对有限元方法的理解框架。特别是关于基函数的选择和刚度矩阵的计算部分,作者用大量的图例和清晰的步骤,将抽象的数学过程具象化,让我这个害怕数学公式的读者也能啃下来。这本书的价值不仅仅在于传授知识,更在于它塑造了一种严谨的、探究式的思维方式,引导读者去思考问题的本质,而不是仅仅停留在套用公式的层面。

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阅读《有限元方法基础理论》的过程,更像是一次与一位经验丰富、充满热情的导师进行深度对话。作者在行文之间,不时流露出对计算力学领域的热爱和对后学者的殷切期望。书中对有限元方法历史背景的梳理,虽然篇幅不长,但却充满了人文关怀,让人理解这项技术是如何一步步发展壮大的。更让我感到惊喜的是,书中对一些高级主题的触及,比如非线性问题的处理思路、时间步进方法的选择等,虽然没有展开到极致,但为读者指明了后续深入学习的方向。这让这本书的适用人群得到了极大的拓宽,它既是入门者的坚实基础,也是进阶学习者的参考指南。它的价值在于提供了一个坚实可靠的理论基石,让读者在面对未来更复杂的计算挑战时,心中有数,手中有方。

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这本书的结构安排堪称典范,体现了作者极高的学术素养和教学智慧。它从最基础的能量原理和虚功原理入手,构建了有限元方法的数学框架,随后逐层深入到二维和三维问题的处理。特别是对矩阵装配过程的详尽描述,作者如同在解剖一个复杂的机械结构,将整体的刚度矩阵如何由各个单元的贡献累加而成,描述得丝丝入扣。我欣赏作者对细节的极致追求,例如,在介绍奇异矩阵的处理和数值积分(如高斯积分)时,作者不仅给出了公式,还阐述了选择不同积分点和权重的物理意义和计算效率的权衡。这种兼顾理论严谨性和工程实用性的写作风格,使得这本书超越了一般的教材范畴,更像是一本关于“如何构建和理解数值模型”的权威手册。每一次重读,我都能从中发掘出新的理解层次,这本书的耐读性极高。

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这本书的深度和广度,远超出了我阅读同类书籍的预期。它不仅仅停留在理论介绍,更深入地探讨了有限元方法在实际应用中可能遇到的各种挑战和优化策略。比如,关于网格划分的技巧,书中用了专门的章节来详细阐述,从规则网格到非规则网格,从三角形单元到四面体单元,每种单元的优缺点以及适用场景都分析得鞭辟入里。更让我印象深刻的是,作者对误差估计和收敛性分析的处理方式。这部分内容通常是其他书籍中一笔带过或过于深奥的部分,但在《有限元方法基础理论》中,作者用一种循序渐进的方式,由浅入深地剖析了这些复杂概念,使得即便是初次接触有限元分析的读者,也能对结果的可靠性有一个清醒的认识。这种对工程实用性的高度关注,让这本书显得非常“接地气”,而不是高高在上的纯数学理论。

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