Spectral Element Method in Structural Dynamics

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出版者:
作者:Lee, Usik
出品人:
页数:480
译者:
出版时间:2009-10
价格:1158.00 元
装帧:
isbn号码:9780470823743
丛书系列:
图书标签:
  • Spectral Element Method
  • Structural Dynamics
  • Finite Element Method
  • Computational Mechanics
  • Vibration Analysis
  • Modal Analysis
  • Numerical Methods
  • Engineering Mechanics
  • MATLAB
  • High-Order Accuracy
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具体描述

Spectral Element Method in Structural Dynamics is a concise and timely introduction to the spectral element method (SEM) as a means of solving problems in structural dynamics, wave propagations, and other related fields. The book consists of three key sections. In the first part, background knowledge is set up for the readers by reviewing previous work in the area and by providing the fundamentals for the spectral analysis of signals. In the second part, the theory of spectral element method is provided, focusing on how to formulate spectral element models and how to conduct spectral element analysis to obtain the dynamic responses in both frequency- and time-domains. In the last part, the applications of SEM to various structural dynamics problems are introduced, including beams, plates, pipelines, axially moving structures, rotor systems, multi-layered structures, smart structures, composite laminated structures, periodic lattice structures, blood flow, structural boundaries, joints, structural damage, and impact forces identifications, as well as the SEM-FEM hybrid method. Presents all aspects of SEM in one volume, both theory and applications Helps students and professionals master associated theories, modeling processes, and analysis methods Demonstrates where and how to apply SEM in practice Introduces real-world examples across a variety of structures Shows how models can be used to evaluate the accuracy of other solution methods Cross-checks against solutions obtained by conventional FEM and other solution methods Comes with downloadable code examples for independent practice Spectral Element Method in Structural Dynamics can be used by graduate students of aeronautical, civil, naval architectures, mechanical, structural and biomechanical engineering. Researchers in universities, technical institutes, and industries will also find the book to be a helpful reference highlighting SEM applications to various engineering problems in areas of structural dynamics, wave propagations, and other related subjects. The book can also be used by students, professors, and researchers who want to learn more efficient and more accurate computational methods useful for their research topics from all areas of engineering, science and mathematics, including the areas of computational mechanics and numerical methods.

跨越结构动力学挑战:一种计算新视角 本书深入探讨了现代工程领域中结构动力学分析的尖端计算方法。我们聚焦于一种强大的数值技术,它能够以卓越的精度和效率处理复杂的动态响应问题,尤其是在高频振动和复杂几何形状的分析中,这些问题是传统有限元方法难以有效解决的。 本书并非对特定书籍内容的概述,而是从更广阔的技术视角出发,为读者勾勒出一幅利用先进数值工具解决结构动力学难题的蓝图。我们将重点阐述其核心原理,揭示其在解决实际工程问题中的独特优势。 核心原理与方法论 该方法的基石在于其对问题域的高阶近似能力。与传统方法将连续体离散为低阶单元不同,本书介绍的技术采用高阶多项式来近似求解域内的位移和应力场。这种高阶近似允许在更少的单元数量下捕捉到更精细的结构行为,显著提高了计算效率。 具体而言,该方法将求解域划分为数量相对较少的“单元”。然而,与有限元方法不同的是,每个单元内部的解并不是简单的分段线性或抛物线插值,而是由一组全局正交多项式(如Legendre多项式)的组合来表示。这些多项式在单元内部具有高度的全局光滑性,能够更准确地描述波的传播和高频振动的特性。 在单元边界处,该方法通过特定的“耦合方案”来确保解的连续性和满足物理约束。这些耦合方案,例如基于拉格朗日乘子法或超变量法的技术,能够有效地将相邻单元的离散解进行连接,从而构建出整个结构的整体动力学模型。 在结构动力学中的优势 这种高阶近似能力赋予了该方法在结构动力学分析中无与伦比的优势: 高频分析的卓越性能: 在高频振动场景下,波的传播成为主导因素。传统的有限元方法需要非常密集的网格才能准确捕捉这些波,导致计算量剧增。本书介绍的技术,由于其高阶插值和全局光滑性,能够以远低于有限元法的网格密度,精确模拟波的传播和衰减,从而极大地提高了高频分析的效率和精度。 复杂几何形状的有效处理: 该方法在处理复杂几何形状时也表现出色。通过使用高阶形函数,可以相对容易地描述曲线边界和复杂曲面,而无需对几何进行过度的近似。这对于分析航空航天、汽车工程等领域的复杂部件至关重要。 模型减量与模态分析的高效性: 在模态分析中,该方法可以更有效地提取结构的模态参数,包括固有频率和模态振型。其高阶近似有助于获得更准确的模态信息,并且在构建降阶模型方面也显示出潜力,这对于实时控制和结构健康监测等应用具有重要意义。 精度与效率的权衡: 本书将深入探讨如何通过调整多项式的阶数和单元划分策略,来精细地权衡计算精度和效率。读者将了解到如何根据具体工程问题的需求,选择最优的计算参数,从而在满足精度要求的前提下,最大限度地缩短计算时间。 应用领域与工程意义 本书介绍的技术并非局限于理论探讨,而是具有广泛的实际工程应用潜力: 航空航天工程: 用于分析飞行器结构在高空、高速状态下的振动响应,如气动弹性、发动机振动、结构疲劳等。 汽车工程: 用于分析车辆在不同路况下的动力学性能,如悬架系统的响应、车身共振、 NVH(噪声、振动与平顺性)分析等。 土木工程: 用于分析桥梁、高层建筑等大型结构在地震、风荷载作用下的动力响应,以及考虑材料非线性的复杂情况。 机械工程: 用于分析旋转机械、机床、精密仪器等部件的动力学特性,优化设计以减少振动和噪声。 生物医学工程: 用于分析生物组织的力学响应,如骨骼、软组织的振动特性等。 本书的学习价值 通过学习本书,读者将能够: 深刻理解 结构动力学分析的挑战以及现有方法的局限性。 掌握 一种先进的数值计算技术的核心原理、数学基础和实施细节。 评估 该技术在不同结构动力学问题中的适用性和优势。 开发 解决复杂结构动力学问题的计算工具和策略。 为 实际工程设计和性能评估提供更精确、更高效的分析手段。 本书为希望在结构动力学领域寻求更高效、更精确解决方案的研究人员、工程师和高级学生提供了一个宝贵的知识宝库。它不仅是理论的探索,更是将前沿计算方法转化为实际工程应用的关键桥梁。

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