The Finite Element Method in Engineering, Fourth Edition pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Singiresu S. Rao

出品人:

页数:688

译者:

出版时间:2004-12-20

价格:USD 113.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780750678285

丛书系列:

图书标签:

有限元方法
工程应用
数值分析
结构力学
热传导
流体力学
MATLAB
Python
第四版
高等教育

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具体描述

Finite Element Analysis is an analytical engineering tool developed in the 1960's by the Aerospace and nuclear power industries to find usable, approximate solutions to problems with many complex variables. It is an extension of derivative and integral calculus, and uses very large matrix arrays and mesh diagrams to calculate stress points, movement of loads and forces, and other basic physical behaviors. Students will find in this textbook a thorough grounding of the mathematical principles underlying the popular, analytical methods for setting up a finite element solution based on those mathematical equations. It quickly bridges that knowledge to a host of real-world applications - from structural design, to problems in fluid mechanics and thermodynamics. Professional engineers will benefit from the introduction to the many useful applications of finite element analysis, and will gain a better understanding of its limitations and special uses. New to this edition: new sections added on the assemblage of element equations, and an important new comparison between finite element analysis and other analytical methods - showing advantages and disadvantages of each; updated solutions manual available; improved sample and end-of-chapter problems; the only book to provide a broad overview of the underlying principles of finite element analysis and where it fits into the larger context of other mathematically based engineering analytical tools; new sections added on the assemblage of element equations, and an important new comparison between finite element analysis and other analytical methods, showing the advantages and disadvantages of each; and, new Companion website that will host usable finite element programs and sample engineering problems, as well as a Solutions Manual for end-of-chapter problems.

工程数值模拟：面向应用的有限元方法解析 (第二版) 作者： [此处可填入虚构作者姓名，例如：李明，王芳] 出版社： [此处可填入虚构出版社名称，例如：世纪工程技术出版社] 页数：约 850 页 ISBN (虚构)： 978-7-5768-1234-5 --- 内容概述本书《工程数值模拟：面向应用的有限元方法解析（第二版）》旨在为土木、机械、航空航天、材料科学等领域的工程师和高年级本科生、研究生提供一套全面、深入且极具实践导向的有限元分析（FEA）理论框架与操作指南。本书严格聚焦于如何应用和理解有限元方法解决实际工程问题，避免了对基础有限元理论的冗余复述，而是将重点放在了高效建模、复杂边界条件处理、高级材料本构关系实现以及结果的可靠性验证上。本书并非《The Finite Element Method in Engineering, Fourth Edition》的替代或衍生版本，而是从完全不同的视角——强调工程实现与计算效率——构建的一部独立著作。本书侧重于软件操作背后的数学原理与工程假设的权衡，而非专注于某一特定教科书的章节结构或特定的数值技巧的详尽推导。全书结构清晰，从宏观的工程问题离散化入手，逐步深入到特定物理场（结构、热传导、流体力学基础）的数值求解，最终落脚于现代商业软件（如 ABAQUS, ANSYS, COMSOL 等，仅作为案例讨论，不提供特定软件操作手册）的设置逻辑和结果后处理技巧。 --- 第一部分：工程问题与离散化基础 (约 200 页) 本部分为后续高级分析打下坚实的工程应用基础，侧重于将物理现象转化为可计算的数学模型。第 1 章：工程分析的范式转变：从解析到数值引言：现代工程设计对高精度数值模拟的需求与局限性。偏微分方程（PDEs）的物理背景：结构力学（平衡方程）、热力学（能量守恒）的工程表达形式。工程近似的必要性：为什么必须使用数值方法？（几何复杂性、材料非线性、载荷多样性）。有限元方法的定位：Galerkin 方法的工程意义——残差最小化原理的直观理解。第 2 章：变分原理与弱形式的构建能量泛函法在结构力学中的应用：虚功原理的现代诠释。泊松方程（Poisson's Equation）的弱形式推导：关注边界条件对弱形式的影响（狄利克雷与诺伊曼条件）。非结构化网格的生成策略：从一维到三维的过渡，对网格质量的工程评估标准（长宽比、畸形度）。第 3 章：形函数的设计与插值误差分析一维与二维形函数的选择：线性、二次形函数在梁、板单元中的性能对比。网格畸变对形函数的影响：高阶单元在畸变网格下的性能衰减分析。雅可比矩阵（Jacobian Matrix）：在曲线坐标系中将计算映射回自然坐标系的关键。关键工程考量：确保单元内插值满足刚体运动与恒应变条件。 --- 第二部分：线弹性结构分析的深入实践 (约 300 页) 本部分是全书的核心，详细讨论了在工程中最常见的线弹性静力学与模态分析的实现细节。第 4 章：单元刚度矩阵的集成与装配平面问题（2D）单元的刚度矩阵推导（三角单元与四边形单元）。三维实体单元（四面体与六面体）的构建：高维积分的数值方法（高斯积分）。全局刚度矩阵的生成：稀疏矩阵存储与求解器的选择（直接法 vs. 迭代法）。第 5 章：高级边界条件与载荷施加位移边界条件的精确施加：利用拉格朗日乘子法与约束方程的对比。接触（Contact）问题的工程预处理：罚函数法、增广拉格朗日法在接触判据中的应用。复杂载荷的离散化：压力分布、体积载荷、惯性载荷在节点上的等效力计算。第 6 章：线弹性分析的求解与后处理线性方程组的求解器性能评估：针对大型模型的预处理技术。应力与应变场的计算：单元内插值与节点值外插的工程差异。失效判据的应用：冯·米塞斯、最大主应力理论在安全评估中的权重。模型检查：能量平衡检查、自由度约束检查的自动化流程。第 7 章：动态分析与特征值问题质量矩阵的集成：集总质量与一致质量矩阵的物理含义与计算成本对比。特征值问题的求解：Lanczos 算法在模态分析中的应用。瞬态响应分析的基础：Newmark-$eta$ 方法与中心差分法的稳定性分析。 --- 第三部分：热、流耦合与材料非线性 (约 300 页) 本部分扩展到更复杂的物理场，并深入探讨了现代工程模拟中不可避免的非线性问题。第 8 章：稳态与瞬态热传导分析热传导方程的弱形式：传导、对流、辐射边界条件的引入。热-结构耦合（Thermo-Mechanical Coupling）：双向耦合与单向耦合的工程适用场景。求解热问题的迭代策略：如何处理非线性边界条件（如辐射项）。第 9 章：非线性问题的迭代求解策略几何非线性（大变形）：更新的拉格朗日描述（Updated Lagrangian）与总拉格朗日描述（Total Lagrangian）的选择标准。材料非线性：塑性（弹塑性）本构模型的数值实现——返回映射算法的简介。牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）迭代法的实施：残差向量的构建与切线刚度矩阵的计算。第 10 章：计算流体力学（CFD）基础与耦合 Navier-Stokes 方程的弱形式：对流项的处理挑战。稳定化技术：SUPG (Streamline Upwind Petrov-Galerkin) 方法在对流主导问题中的应用。流固耦合（FSI）的界面处理：流体载荷向固体模型的映射与反向作用力的传递。 --- 第四部分：高级主题与验证方法 (约 50 页) 本部分提供解决特定复杂问题的指导，并强调模拟结果的可靠性。第 11 章：高阶建模与不确定性量化（UQ）子模型技术（Sub-modeling）：局部精细化分析的方法论。嵌入式单元技术在多材料界面问题中的应用。网格收敛性研究（h-refinement vs. p-refinement）的工程准则。第 12 章：仿真结果的验证与校准实验数据对比（Benchmarking）的流程设计。后处理中的误差估计技术：Zienkiewicz-Zhu (ZZ) 误差估计器的应用。模型简化与实际计算成本的权衡艺术。 --- 适用读者本书适合具备基础材料力学和微积分知识的机械工程、土木工程、航空航天工程等相关专业的硕士研究生、博士生，以及需要进行复杂工程数值模拟的研发工程师。本书特点工程导向：每一个理论推导都紧密关联到实际的工程建模需求和软件实现逻辑。聚焦“如何做”：强调边界条件、单元选择和迭代策略对最终结果的影响，而非纯粹的数学证明。覆盖面广：系统性地介绍了结构力学、传热学以及流固耦合的基础有限元处理方法。