高效有限元构造与分析

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出版者:河北大学出版社
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页数:0
译者:
出版时间:2002-08-01
价格:36.0
装帧:
isbn号码:9787810284035
丛书系列:
图书标签:
  • 有限元
  • 结构力学
  • 数值分析
  • 计算方法
  • 工程分析
  • MATLAB
  • Python
  • 科学计算
  • 数值模拟
  • 结构设计
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具体描述

图书简介: 《现代数值计算方法与应用》 作者: [此处可留空或填写虚构作者名,如:张伟, 李明] 出版社: [此处可留空或填写虚构出版社名,如:科学技术出版社] ISBN: [此处可留空或填写虚构ISBN] --- 内容概要: 本书旨在为读者提供一套全面而深入的现代数值计算方法体系,重点关注如何将理论知识转化为高效的工程实践。全书结构严谨,内容覆盖了数值分析的核心概念、经典算法的推导与实现,以及在现代工程和科学研究中的实际应用案例。本书的目标读者包括高等院校的理工科学生、从事计算科学与工程的研究人员,以及需要掌握先进数值工具的工程师。 第一部分:数值分析基础与误差理论 本部分作为全书的基石,详细阐述了数值计算的理论基础。首先,系统地回顾了实数系统、浮点运算的表示与精度问题,深入探讨了计算中的误差来源——截断误差与舍入误差的性质及其控制方法。随后,重点分析了插值理论,涵盖了代数插值(如拉格朗日插值、牛顿插值)的稳定性和收敛性,并引入了更具优越性的分段插值(如样条插值)在光滑性和局部性方面的优势。本部分通过大量算例,使读者深刻理解“近似”在数值计算中的本质意义。 第二部分:线性方程组的数值求解 线性方程组是科学与工程计算中最常见的问题之一。本章聚焦于大型、稀疏线性系统的求解策略。 直接法: 详细推导并比较了高斯消元法、LU分解、Cholesky分解及其在矩阵性质(如对称正定性)下的优化。特别讨论了矩阵分解过程中数值稳定性的增强技术,例如部分选主元策略。 迭代法: 针对超大规模系统,本书深入讲解了经典迭代方法,如雅可比法(Jacobi)和高斯-赛德尔法(Gauss-Seidel),并着重介绍了现代高效的迭代技术。这包括残差的计算、收敛准则的设定,以及加速技术如逐次超松弛法(SOR)。对于更复杂的系统,书中还引入了预条件子的概念,阐述了Krylov子空间方法的原理,如共轭梯度法(CG)和广义最小残量法(GMRES)在处理非对称系统中的应用及其实现细节。 第三部分:非线性方程与优化问题 处理非线性问题是数值计算的另一大核心内容。 单变量非线性方程求解: 详细分析了牛顿法(Newton's Method)的二次收敛特性及其局限性(如对初始猜测值的依赖)。同时,对比了割线法(Secant Method)和假位法(Regula Falsi)等需要较少导数信息的迭代方法。 多变量非线性方程组: 重点介绍了多维牛顿法,以及如何通过拟牛顿法(Quasi-Newton methods,如BFGS)来避免计算昂贵的雅可比矩阵的逆,从而提高实际计算效率。 无约束优化: 本章系统梳理了优化算法的梯度信息利用方式。除了精确线搜索和回溯线搜索等步长确定策略外,详细介绍了梯度下降法、牛顿法以及拟牛顿法在函数最小化问题中的应用。特别强调了搜索方向的选择对收敛速度的决定性影响。 第四部分:常微分方程(ODE)的数值积分 常微分方程是描述动态系统的数学工具。本书侧重于如何准确且稳定地对这些方程进行离散化求解。 单步法与多步法: 深入剖析了欧拉法(Euler Method)及其改进,如改进的欧拉法。重点讲解了龙格-库塔法(Runge-Kutta methods),尤其是经典的四阶RK4法,从数学上解释了其高精度来源。对于更精细的求解,详细介绍了多步法,如Adams-Bashforth和Adams-Moulton公式,以及隐式与显式方法的稳定性差异。 刚性问题(Stiffness): 针对计算中常见的刚性问题,本书探讨了隐式方法(如后向欧拉法)在处理这类问题时的必要性和优势,并讨论了求解刚性ODE的专业算法选择标准。 第五部分:偏微分方程(PDE)的数值近似 偏微分方程是连续介质力学、电磁学等领域的核心。本部分聚焦于将连续的PDE转化为可解的代数系统。 有限差分法(FDM): 系统地介绍了FDM的基本思想,如何利用泰勒展开来构造不同阶数的导数近似。以经典的泊松方程和热传导方程为例,演示了如何处理定常问题和瞬态问题(如使用前向欧拉或Crank-Nicolson格式),并分析了网格划分对解的稳定性和精度的影响。 变分原理与弱形式: 介绍了将PDE转化为积分形式(弱形式)的思想,为理解更先进的数值方法奠定基础。 第六部分:数值计算中的高级主题与工具 本部分探讨了影响实际工程计算效率和可靠性的前沿和实用性议题。 特征值问题的数值解: 详细讨论了如何高效地计算大型矩阵的主导特征值和特征向量,重点介绍幂法(Power Iteration)及其变体,以及QR算法的迭代思想。 计算效率与并行化: 探讨了稀疏矩阵存储格式(如CSR、CSC)对内存和运算效率的优化。简要介绍了如何利用现代多核架构和并行计算框架(如OpenMP/MPI的基本概念)来加速求解过程,以应对“大模型”的挑战。 专业软件环境下的应用实践: 本章提供了一些关于在主流计算平台(如Python的SciPy库、MATLAB等)上实现和测试所学算法的实践指南和示例代码片段,旨在桥接理论与实际工程需求。 本书特色: 1. 理论深度与工程广度的统一: 每个算法均提供详尽的数学推导,同时配有直观的物理或工程背景解释。 2. 强调稳定性与效率: 不仅关注算法能否得出结果,更关注结果的可靠性(稳定性、收敛性)和计算的经济性。 3. 丰富的计算实例: 全书穿插了大量源自材料、流体、电磁场等领域的数值算例,使抽象的数学概念具体化。 通过对本书内容的系统学习,读者将能够独立构建、分析和优化复杂的工程和科学问题中的数值模型,达到高效求解的目的。

作者简介

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读后感

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用户评价

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这本书在进行有限元方法的验证和可靠性评估方面,也给出了详细的指导。在工程应用中,我们不仅要能够进行有限元计算,更重要的是要确保计算结果的准确性和可靠性。作者系统地介绍了有限元模型的验证和评估方法,包括与解析解的比较、与实验数据的对比、以及通过网格收敛性分析来评估结果的准确性。我尤其欣赏书中关于“误差估计”和“不确定性量化”的讨论,它能够帮助我们量化计算结果中的不确定性,从而更好地评估模型的可靠性。作者还强调了在进行有限元分析时,要充分理解模型的假设和局限性,并根据实际情况进行必要的调整和优化。这些关于模型验证和评估的指导,让我能够更加严谨地对待有限元分析过程,并对计算结果有更科学的判断。

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这本书在非线性问题的求解策略上,可以说是给了我很大的启发。许多工程现象,如材料的塑性变形、大变形接触等,都属于非线性问题,其求解难度远大于线性问题。作者系统地介绍了各种非线性方程组的求解方法,如牛顿迭代法、拟牛顿法、不动点迭代法等,并且详细分析了它们的收敛性和效率。我特别欣赏书中关于“增量法”的阐述,它将复杂的非线性问题分解成一系列小型的线性问题来求解,这使得求解过程更加稳定和可控。作者还深入探讨了在非线性分析中,如何有效地选择和更新荷载步长、变形增量等参数,以保证计算的收敛性和准确性。例如,在材料非线性分析中,作者详细讲解了如何根据应力应变曲线的特性,选择合适的本构模型,并通过迭代法求解非线性方程组来获得真实的材料响应。这种对非线性求解方法的深入讲解和实践指导,让我能够更好地理解和解决那些具有复杂非线性行为的工程问题。

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这本书的数学推导过程,是我在阅读过程中最为着迷的部分之一。作者在讲解每一个推导步骤时,都力求严谨和详尽,丝毫没有含糊其辞。那些繁复的积分、求导、矩阵运算,被拆解得井井有条,每一个公式的来源,每一个变量的含义,都被清晰地阐述。我尤其喜欢作者在推导过程中,常常会穿插一些数学技巧的提示,比如如何进行变量替换,如何利用性质简化运算等,这些细节对于提升我的计算能力和理解数学的深刻内涵非常有帮助。举个例子,在推导单元刚度矩阵的部分,作者花费了大量的篇幅来讲解伽辽金法的原理,并详细展示了如何通过散度定理和高斯公式来简化积分运算,最终得到简洁而优美的刚度矩阵形式。这个过程,让我不仅理解了刚度矩阵的物理意义,更体会到了数学工具的强大之处。此外,书中的一些证明,如拉克罗姆-里兹法的收敛性证明,作者也是循序渐进地展开,从基本假设到最终结论,逻辑链条完整而清晰,让我对有限元方法的理论基础有了更扎实的掌握。我常常需要反复阅读这些推导部分,但每次都能从中获得新的启发。这种深入浅出的讲解方式,真正做到了“授人以鱼不如授人以渔”,让我不仅仅是记住结论,更能理解其背后的数学原理和推导逻辑。

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这本书的封面设计就颇具匠心,那种深沉的蓝色,如同浩瀚的数学宇宙,点缀着精巧的几何图形,预示着这是一场严谨而又充满探索的旅程。我一拿到它,就迫不及待地翻开。首先吸引我的是其章节的组织结构,逻辑清晰,循序渐进。从基础概念的引入,到复杂问题的求解,每一步都安排得恰到好处,仿佛一位经验丰富的导师,引领着我在有限元方法的世界里稳步前行。序言部分就奠定了一种严谨的学术基调,同时又流露出对有限元方法在工程实践中巨大潜力的深刻认识,这让我对接下来的内容充满了期待。我特别欣赏作者在介绍基本理论时,并没有一味地堆砌公式,而是辅以大量的图示和直观的解释,这极大地降低了初学者的理解门槛。那些关键性的定义、定理,都被提炼得简明扼要,并且巧妙地融入到对具体工程问题的讨论之中,使得抽象的理论不再是空中楼阁,而是有了扎实的根基。例如,在关于形函数选择的那一部分,作者不仅列举了常见的几种形函数,还详细分析了它们在不同边界条件和网格划分下的优劣,并结合了实际算例,让我对如何根据具体问题选择最合适的形函数有了更深刻的理解。这种“理论与实践相结合”的叙述方式,贯穿了整本书,让我觉得学到的知识不仅仅是纸上谈兵,而是真正能够用于解决实际工程挑战的利器。我常常在阅读某个章节时,感到豁然开朗,仿佛之前困扰我的某个技术难题突然有了清晰的思路。这种阅读体验,是许多其他同类书籍难以比拟的。

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这本书在数值稳定性与精度控制方面,提供了一系列深入的见解。它不仅仅是停留在理论层面,而是非常注重实际应用中可能遇到的问题,并给出了相应的解决方案。作者在分析单元解法时,详细讨论了数值误差的来源,如截断误差、舍入误差等,并且探讨了如何通过提高单元的阶数、改变单元类型来改善计算精度。让我印象深刻的是,书中关于“伪解”现象的讨论,作者不仅解释了其产生的原因,还给出了几种有效的避免方法,例如引入人工黏性、改进数值积分方案等。这些都是我在其他资料中很少看到的内容。另外,书中关于边界条件处理的讲解也十分到位,无论是齐次边界条件还是非齐次边界条件,亦或是周期性边界条件,作者都给出了清晰的数学模型和处理方法,并结合算例说明了不同的处理方式对结果的影响。我尤其欣赏作者在分析算例时,对不同数值方法的比较,比如差分法、积分法等,并且详细分析了它们在精度和效率上的优缺点。这帮助我能够根据具体的工程问题,选择最适合的数值离散方法。

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对于处理复杂几何形状,这本书的探讨也相当深入。许多工程问题都会面临不规则的边界和复杂的内部结构,如何有效地离散这些形状,并保证计算的准确性,一直是我比较关注的问题。书中详细介绍了各种非结构网格生成技术,包括基于剖分、基于模板、基于生长等方法,并分析了它们在生成不同类型单元(如三角形、四边形、四面体、六面体)时的优缺点。我尤其欣赏作者在讨论复杂几何形状处理时,不仅仅是介绍方法,更重要的是结合实际工程案例,比如航空器翼型、汽车车身等,来展示这些方法是如何应用的。书中还探讨了如何处理几何特征,如尖角、薄壁等,并提出了相应的网格划分策略来保证这些特征的准确表示。此外,书中关于映射网格和混合网格的讨论,也为处理某些特殊的复杂几何形状提供了思路。通过学习这本书,我能够更自信地应对各种复杂的几何建模和网格划分挑战,并确保计算结果的可靠性。

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这本书在进行模型降阶和效率提升方面,也提供了非常实用的技术。在处理大规模有限元模型时,计算量会非常庞大,往往需要耗费大量的计算资源和时间。作者介绍了几种有效的模型降阶技术,如模态分析法、本征正交分解(POD)方法等,这些技术能够从高维度的有限元模型中提取出关键的特征信息,构建出低维度的模型,从而大大提高计算效率。我尤其欣赏书中关于“模态叠加法”的讲解,它通过对结构的固有模态进行分析,将复杂的动力响应分解成若干个模态的线性组合,从而实现了快速的响应计算。此外,作者还探讨了如何通过优化网格质量、选择合适的单元类型、采用并行计算等手段来提高有限元分析的效率。这些技术上的提升,让我能够更快速、更有效地处理那些规模巨大、计算复杂的工程问题。

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在探讨网格划分策略时,这本书展现出了作者深厚的实践经验。它不仅仅是介绍了各种基本的网格生成技术,例如结构网格和非结构网格的划分方法,还深入分析了不同网格质量对计算结果精度的影响。作者通过大量的对比算例,直观地展示了网格疏密、网格畸变等因素如何影响收敛性和准确性,并给出了具体的优化指导。我印象深刻的是,书中有一章节专门讨论了自适应网格细化技术,它详细介绍了基于误差估计的网格局部加密方法,并且提供了不同误差指示器的比较分析。这让我意识到,一个好的网格划分策略,不仅仅是为了方便计算,更是为了在满足精度要求的前提下,最大程度地减少计算资源。作者还强调了网格质量的重要性,比如角度、长宽比等网格畸变参数的控制,以及如何在复杂几何形状下生成高质量的网格。他提出的那些在实际工程中行之有效的网格优化技巧,对我来说简直是宝贵的财富,让我能够避免在网格问题上走弯路。通过阅读这本书,我不再仅仅是简单地使用网格生成软件,而是能够根据问题的特点,主动去思考和选择最优的网格划分方案,从而获得更可靠的计算结果。

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书中关于求解自由边界问题和接触问题的论述,对我来说是极具价值的。很多实际工程中,都会遇到边界位置不确定或者物体之间存在接触的情况,例如流固耦合问题、碰撞问题等。作者系统地介绍了求解这类问题的几种主流方法,如罚函数法、乘子法、特征函数法等,并详细分析了它们的数学原理和在实际应用中的优缺点。我尤其欣赏书中关于“接触域”的划分和处理方法,作者不仅讲解了如何识别接触区域,还给出了几种有效的接触算法,能够保证接触力在接触面上连续且不穿透。书中还提供了一些典型的工程案例,如模具的注射成型、汽车座椅的碰撞模拟等,来展示这些方法是如何应用于实际问题的。通过学习这本书,我对于如何准确地模拟和分析那些具有自由边界和接触行为的复杂工程问题,有了更深入的理解和更有效的工具。

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这本书在耦合场分析方面,给我的印象尤为深刻。许多实际工程问题,都涉及多个物理场之间的相互作用,例如热应力耦合、流固耦合、电磁力学耦合等。作者系统地介绍了耦合场分析的基本原理和常用的求解策略。我特别欣赏书中关于“顺序耦合”和“整体耦合”方法的比较分析,以及它们各自的优缺点。作者通过一些典型的工程案例,如半导体器件中的热应力分析、水力涡轮机中的流固耦合分析等,来展示这些耦合场分析方法是如何应用的。另外,书中还探讨了如何有效地处理不同物理场之间的边界条件和相互作用,以及如何选择合适的数值方法来求解耦合方程组。这些深入的讲解和实践指导,让我能够更准确地模拟和分析那些涉及多物理场相互作用的复杂工程问题。

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