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VisualBasic60編寫的程式原始碼。本書可供土木工程、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。
基本介紹
內容簡介,圖書目錄,序言,
內容簡介
《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
前言
第l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
2.2.1單元分析之Ⅰ——局部坐標系中的單元剛度矩陣
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一一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.I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的計算模組人口程式
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
3.10求解線性方程組子程式
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
……
第4章連續體結構有限單元法理論
第5章連續體結構應力分析程式
第6章溫度場問題有限單元法理論
第7章溫度場分析程式
第8章前處理技術
第9章後處理技術
第10章有限元理論與軟體發展展望
第l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
2.2.1單元分析之Ⅰ——局部坐標系中的單元剛度矩陣
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一一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.I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的計算模組人口程式
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
3.10求解線性方程組子程式
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
……
第4章連續體結構有限單元法理論
第5章連續體結構應力分析程式
第6章溫度場問題有限單元法理論
第7章溫度場分析程式
第8章前處理技術
第9章後處理技術
第10章有限元理論與軟體發展展望
序言
隨著有限單元法基本理論和計算機硬體技術的不斷發展，數值模擬已經成為和理論分析、模型試驗相併列的一種重要的科學研究方法和手段。
有限元軟體是重要的數值模擬工具，一般的有限元軟體由前處理器、數值計算程式、後處理器三部分構成。前處理器的作用是準備好數值計算需要的所有數據，形成數值計算的有限元模型。前處理器應該具有良好的圖形界面，用戶可以方便地進行設定單元類型、輸入實常數、輸入材料參數、劃分有限元格線、施加荷載、施加約束等操作。數值計算程式是有限元軟體的核心，作用是利用前處理器建立的模型，計算出需要的結果。後處理器的作用是以圖形或列表的方式顯示數值計算結果，用戶可以通過縮放、旋轉、剖切等方法觀察和分析計算結果，判斷計算結果的合理性。
已經出版的相關有限元的書籍大都局限於介紹有限單元法基本理論、有限元數值計算程式編寫、大型軟體在各領域中的套用，全面介紹前處理器、數值計算程式、後處理器開發方法的書籍還很稀少，給出完整程式原始碼的書籍更少。本書在這方面進行一些嘗試，希望起到拋磚引玉的作用。
學習有限元軟體設計與開發的益處可以歸納為三個“有助於”。第一，進行有限元軟體設計與開發需要對有限元理論“明其全而晰其微”，因此學習有限元軟體設計與開發有助於領悟和掌握有限單元法基本理論。第二，有限元軟體套用於很多領域，對於大多數使用者來說，有限元軟體就是一個黑箱，如果能對黑箱的工作原理和工作流程有深入了解，有助於快速掌握和合理使用有限元軟體。第三，掌握了軟體開發與設計的技能，有助於實現自己的新想法，開發具有自主智慧財產權的軟體。
作者近年來主要從事建築結構力學性能分析、有限元理論及軟體開發、科學可視化等方面的研究工作，開發了一些具有圖形化前後處理系統的有限元軟體。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主線，詳細介紹設計和開發有限元分析軟體涉及的所有環節，並給出用Visual Basic 60編寫的源程式代碼。讀者閱讀完本書以後，能夠快速開發出自己的帶有圖形化前後處理系統的有限元軟體。
有限單元法套用領域十分寬廣，涉及內容繁多，想在一本書中把各方面的內容都講清楚，不是件容易的事情。筆者把有限單元法理論及軟體大致劃分為基礎部分和專題部分，本書側重講述基礎部分，主要內容為桿件結構內力分析理論與程式、連續體結構應力分析理論與程式、構件內溫度場分析理論與程式、計算機圖形學理論和前後處理程式。專題部分，如建築結構抗火性能分析理論與程式、建築結構抗震性能分析理論與程式，將在後續的書籍中分別介紹。
作者要特別感謝我的四位導師：中國農業大學李明瑞教授；大連理工大學林皋院士；大連理工大學李宏男教授；中國科學技術大學范維澄院士。沒有導師們的培養和關懷，就沒有本書的出版。
瀋陽建築大學周靜海教授、賈連光教授、笪可寧教授，香港城市大學Leung Andrew Yeetak教授、Lo Siuming教授、Yuen Richard Kwokkit博士，英國謝菲爾德大學Huang Zhaohui博士、Huang Shanshan博士、Burgess Ian教授，曾給予本人許多鼓勵、支持和幫助，在此一併致謝。
由於有限元軟體設計與開發涉及內容十分廣泛，加上作者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請讀者不吝賜教。
劉永軍
2013年6月18日
有限元軟體是重要的數值模擬工具，一般的有限元軟體由前處理器、數值計算程式、後處理器三部分構成。前處理器的作用是準備好數值計算需要的所有數據，形成數值計算的有限元模型。前處理器應該具有良好的圖形界面，用戶可以方便地進行設定單元類型、輸入實常數、輸入材料參數、劃分有限元格線、施加荷載、施加約束等操作。數值計算程式是有限元軟體的核心，作用是利用前處理器建立的模型，計算出需要的結果。後處理器的作用是以圖形或列表的方式顯示數值計算結果，用戶可以通過縮放、旋轉、剖切等方法觀察和分析計算結果，判斷計算結果的合理性。
已經出版的相關有限元的書籍大都局限於介紹有限單元法基本理論、有限元數值計算程式編寫、大型軟體在各領域中的套用，全面介紹前處理器、數值計算程式、後處理器開發方法的書籍還很稀少，給出完整程式原始碼的書籍更少。本書在這方面進行一些嘗試，希望起到拋磚引玉的作用。
學習有限元軟體設計與開發的益處可以歸納為三個“有助於”。第一，進行有限元軟體設計與開發需要對有限元理論“明其全而晰其微”，因此學習有限元軟體設計與開發有助於領悟和掌握有限單元法基本理論。第二，有限元軟體套用於很多領域，對於大多數使用者來說，有限元軟體就是一個黑箱，如果能對黑箱的工作原理和工作流程有深入了解，有助於快速掌握和合理使用有限元軟體。第三，掌握了軟體開發與設計的技能，有助於實現自己的新想法，開發具有自主智慧財產權的軟體。
作者近年來主要從事建築結構力學性能分析、有限元理論及軟體開發、科學可視化等方面的研究工作，開發了一些具有圖形化前後處理系統的有限元軟體。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主線，詳細介紹設計和開發有限元分析軟體涉及的所有環節，並給出用Visual Basic 60編寫的源程式代碼。讀者閱讀完本書以後，能夠快速開發出自己的帶有圖形化前後處理系統的有限元軟體。
有限單元法套用領域十分寬廣，涉及內容繁多，想在一本書中把各方面的內容都講清楚，不是件容易的事情。筆者把有限單元法理論及軟體大致劃分為基礎部分和專題部分，本書側重講述基礎部分，主要內容為桿件結構內力分析理論與程式、連續體結構應力分析理論與程式、構件內溫度場分析理論與程式、計算機圖形學理論和前後處理程式。專題部分，如建築結構抗火性能分析理論與程式、建築結構抗震性能分析理論與程式，將在後續的書籍中分別介紹。
作者要特別感謝我的四位導師：中國農業大學李明瑞教授；大連理工大學林皋院士；大連理工大學李宏男教授；中國科學技術大學范維澄院士。沒有導師們的培養和關懷，就沒有本書的出版。
瀋陽建築大學周靜海教授、賈連光教授、笪可寧教授，香港城市大學Leung Andrew Yeetak教授、Lo Siuming教授、Yuen Richard Kwokkit博士，英國謝菲爾德大學Huang Zhaohui博士、Huang Shanshan博士、Burgess Ian教授，曾給予本人許多鼓勵、支持和幫助，在此一併致謝。
由於有限元軟體設計與開發涉及內容十分廣泛，加上作者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請讀者不吝賜教。
劉永軍
2013年6月18日
