計算結(jié)構(gòu)力學(xué)

前言

現(xiàn)代工程技術(shù)的日益進(jìn)步和電子計算機(jī)的飛速發(fā)展對結(jié)構(gòu)分析的理念與方法產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。一方面，大型工程結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜因素作用下的分析要求強化結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念的綜合運用和概念設(shè)計的理念；另一方面，運算能力的劇增要求發(fā)展與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析理論和方法，這就促進(jìn)了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)向概念結(jié)構(gòu)力學(xué)和計算結(jié)構(gòu)力學(xué)兩個方向的縱深發(fā)展。發(fā)展的形勢要求結(jié)構(gòu)工程師和研究人員必須具備熟練地運用計算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的能力?！坝嬎憬Y(jié)構(gòu)力學(xué)”的發(fā)展正是適應(yīng)了這種需要，它已成為高等工業(yè)院校工程結(jié)構(gòu)類和力學(xué)類等專業(yè)學(xué)生的必修課程。本書是筆者二十多年來在同濟(jì)大學(xué)從事這門課程教學(xué)所用教材的基礎(chǔ)上寫成的。書中主要包括三方面的內(nèi)容：一是桿系結(jié)構(gòu)矩陣分析的原理，包括結(jié)構(gòu)靜力分析的矩陣方法和動力、穩(wěn)定性和非線性分析的有限單元法；二是結(jié)構(gòu)分析程序的設(shè)計原理與應(yīng)用軟件，包括平面桁架、平面剛架靜力分析和剛架動力、穩(wěn)定性分析程序的設(shè)計與應(yīng)用軟件，以及結(jié)構(gòu)非線性分析程序的設(shè)計原理；三是結(jié)合微型計算機(jī)介紹上述結(jié)構(gòu)計算程序的工程應(yīng)用。本書將上述三方面的內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來，使讀者能較快地學(xué)以致用。在基礎(chǔ)理論部分，書中十分強調(diào)正確物理概念的樹立與靈活運用，例題和習(xí)題具有一定深度和啟發(fā)性，旨在使讀者切實地掌握并能熟練地運用基本概念。本書所介紹的結(jié)構(gòu)分析程序是一個完整的系統(tǒng)，各個程序之間既是獨立的又具有內(nèi)在的聯(lián)系。書中各程序分別采用了FORTRAN95和C++兩種語言，程序的格式統(tǒng)一，許多子程序互相通用，這就使讀者能在短期內(nèi)系統(tǒng)地掌握一整套實用的結(jié)構(gòu)計算程序，并可在工程實踐和理論研究工作中加以應(yīng)用。程序的設(shè)計考慮了通用性，因此很容易稍作改編后即可用于空間問題和各種連續(xù)體的有限元分析。

內(nèi)容概要

本書主要介紹桿系結(jié)構(gòu)矩陣分析的基本原理、結(jié)構(gòu)分析程序的設(shè)計方法以及計算程序的實際應(yīng)用等三方面的內(nèi)容，旨在使讀者學(xué)會結(jié)構(gòu)的計算機(jī)分析。全書共分7章，分別介紹桿系結(jié)構(gòu)靜力分析的矩陣方法和動力、穩(wěn)定性和非線性分析的有限單元法；平面桁架、平面剛架靜力分析和剛架動力、穩(wěn)定性分析程序的設(shè)計與應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)非線性分析程序的設(shè)計方法等。書中配有上機(jī)實習(xí)指導(dǎo)材料，各章均有豐富的例題和習(xí)題。    本書可作為高等工業(yè)院校工程結(jié)構(gòu)類和力學(xué)類等專業(yè)“計算結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的教學(xué)用書，也可供有關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

朱慈勉（Zhu Cirrilan），同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院教授，工學(xué)博士，博士研究生導(dǎo)師，結(jié)構(gòu)力學(xué)研究室主任，曾任國家教育部高等學(xué)校力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會委員，上海市土木工程學(xué)會會員，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。1 970年畢業(yè)于清華大學(xué)工程力學(xué)數(shù)學(xué)系固體力學(xué)專業(yè)，此后在國家第一機(jī)械工業(yè)部第八設(shè)計院從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，1 978年進(jìn)入同濟(jì)大學(xué)。長期從事結(jié)構(gòu)力學(xué)和計算結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程的教學(xué)和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程實踐，曾多次獲得國家級和上海市科技進(jìn)步獎和教學(xué)成果獎，發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)十篇。提出了“概念結(jié)構(gòu)力學(xué)”與“計算結(jié)構(gòu)力學(xué)”并進(jìn)的學(xué)科發(fā)展思想，并付諸于教學(xué)和工程實踐。2003年獲上海市高等學(xué)校教學(xué)名師獎。主編“十五”國家級規(guī)劃教材《結(jié)構(gòu)力學(xué)》（上、下冊），于2007年獲上海市高等學(xué)校優(yōu)秀教材一等獎。2005年朱慈勉教授負(fù)責(zé)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程被教育部列為國家級精品課程，2008年負(fù)責(zé)的計算結(jié)構(gòu)力學(xué)與應(yīng)用軟件課程被列為上海市高等學(xué)校精品課程。吳字清（Wu Yuqing），同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，碩士研究生導(dǎo)師，1 992年于臺灣中原大學(xué)建筑工程系畢業(yè)，2002年在美國科羅拉多州州立大學(xué)土木工程系獲博士學(xué)位，此后在清華大學(xué)工程力學(xué)系固體力學(xué)研究所擔(dān)任為期兩年的博士后研究員。曾為美國國家科學(xué)基金項目的主要成員，主要研究方向為計算固體力學(xué)。

書籍目錄

前言主要符號表第1章  緒論第2章  結(jié)構(gòu)靜力分析的矩陣方法  2.1  概述  2.2  矩陣位移法的基本原理  2.3  單元剛度矩陣    2.3.1  桁架單元的剛度矩陣    2.3.2  剛架單元的剛度矩陣    2.3.3  單元剛度矩陣的性質(zhì)與特點  2.4  直接剛度法  2.5  直接剛度法的計算機(jī)處理    2.5.1  總剛度矩陣的計算機(jī)存儲    2.5.2  位移邊界條件的處理  2.6  直接剛度法的另一種形式——先處理法  2.7  等效結(jié)點荷載  2.8  子結(jié)構(gòu)法  2.9  矩陣力法的基本原理  習(xí)題第3章  平面桁架靜力分析程序設(shè)計與應(yīng)用  3.1  概述  3.2  平面桁架靜力分析主程序  3.3  平面桁架靜力分析子程序及其功能    3.3.1  子程序INPUT（X，Y，NCO，PROP，Al，IB，REAC）    3.3.2  子程序ASSEM（X，Y，NCO，PROP，TK，ELST，AL）    3.3.3  子程序STIFF（NEL，X，Y，PROP，NCO，ELST，AL）    3.3.4  子程序ELASS（NEL，NCO，TM，ELMAT）    3.3.5  子程序BOUND（TK，AL，REAC，IB）    3.3.6  子程序SLBSI（A，B，D，N，MS，NX，MX）    3.3.7  子程序FORCE（NCO，PROP，F(xiàn)ORC，REAC，X，Y，AL）    3.3.8  子程序OUTPT（AL，F(xiàn)ORC，REAC）  3.4  平面桁架靜力分析程序的應(yīng)用  習(xí)題第4章  平面剛架靜力分析程序設(shè)計與應(yīng)用  4.1  概述  4.2  平面剛架靜力分析主程序  4.3  平面剛架靜力分析子程序及其功能    4.3.1  子程序INPUT（X，Y，NCO，PROP，AL，IB，REAC）    4.3.2  子程序STIFF（NEL，X，Y，PROP，NCO，ELST，AL）    4.3.3  子程序BTAB3（A，B，V，N，NX）    4.3.4  子程序FORCE（NCO，PROP，F(xiàn)ORC，REAC，X，Y，AL）    4.3.5  子程序OUTPT（NCO，AL，F(xiàn)ORC，REAC）  4.4  平面剛架靜力分析程序的應(yīng)用  習(xí)題第5章  結(jié)構(gòu)動力分析和程序設(shè)計與應(yīng)用  5.1  概述  5.2  結(jié)構(gòu)動力分析的有限單元法  5.3  用虛功原理推導(dǎo)單元剛度矩陣    5.3.1  用結(jié)點位移表達(dá)單元的位移模式    5.3.2  用結(jié)點位移表達(dá)單元的應(yīng)變和應(yīng)力    5.3.3  由虛功原理導(dǎo)出剛架單元的剛度矩陣  5.4  用虛功原理推導(dǎo)等效結(jié)點荷載  5.5  剛架單元的質(zhì)量矩陣  5.6  結(jié)構(gòu)動力分析有限單元法示例  5.7  求解特征值問題的雅可比法  5.8  平面剛架動力分析程序概述  5.9  平面剛架動力分析主程序  5.10  平面剛架動力分析子程序及其功能    5.10.1  子程序INPUT（X，Y，NCO，PROP，IUNK）    5.10.2  子程序ASSEM（X，Y，NCO，PROP，TK，TM，ELST，ELMA，IUNK）    5.10.3  子程序EMASS（NEL，X，Y，PROP，NCO，ELMA）    5.10.4  子程序ELASS（NEL，NCO，IUNK，ELST，ELMA，TK，TM）    5.10.5  子程序EIGG（A，B，H，V，ERR，N，NX）    5.10.6  子程序DECOG（A，N，NX）    5.10.7  子程序INVCH（S，A，N，NX）    5.10.8  子程序JACOB（A，V，ERR，N，NX）    5.10.9  子程序MATMB（A，B，V，N，NX）    5.10.10  子程序0UTPT（TK，TM）  5.11  平面剛架動力分析程序的應(yīng)用  習(xí)題第6章  結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和程序設(shè)計與應(yīng)用  6.1  概述  6.2  結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的有限單元法  6.3  單元初應(yīng)力矩陣  6.4  結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析有限單元法示例  6.5  平面剛架穩(wěn)定性分析程序概述  6.6  平面剛架穩(wěn)定性分析主程序  6.7  平面剛架穩(wěn)定性分析子程序及其功能    6.7.1  子程序INPUT（X，Y，NCO，PROP，IUNK，ALP）    6.7.2  子程序ASSEM（X，Y，NCO，PROP，TK，TM，ELST，ELGE，IUNK，ALP）    6.7.3  子程序EGEOM（NEL，X，Y，ALP，NCO，ELGE）    6.7.4  子程序ELASS（NEL，NCO，IUNK，ELST，ELGE，TK，TM，ALP）    6.7.5  子程序0UTPT（TK，TM）  6.8  平面剛架穩(wěn)定性分析程序的應(yīng)用  習(xí)題第7章  結(jié)構(gòu)非線性分析和程序設(shè)計  7.1  概述  7.2  結(jié)構(gòu)幾何非線性分析的有限單元法    7.2.1  帶有流動坐標(biāo)的迭代法    7.2.2  總體的拉格朗日（Lagrange）列式法  7.3  單元的切線剛度矩陣    7.3.1  桁架單元的切線剛度矩陣    7.3.2  剛架單元的切線剛度矩陣  7.4  非線性方程的求解    7.4.1  直接求解法    7.4.2  簡單增量法    7.4.3  自校正增量法    7.4.4  牛頓-拉夫森（Newton-Paphson）法  7.5  結(jié)構(gòu)的塑性分析  7.6  結(jié)構(gòu)非線性分析程序設(shè)計  習(xí)題附錄Ⅰ  上機(jī)實習(xí)資料  實習(xí)1  平面桁架靜力分析程序的應(yīng)用    1.1  實習(xí)目的與要求    1.2  操作提示    1.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫  實習(xí)2  用乘大數(shù)法處理位移邊界條件程序設(shè)計    2.1  實習(xí)目的與要求    2.2  操作提示    2.3  源程序修改提示  實習(xí)3  平面剛架靜力分析程序的應(yīng)用    3.1  實習(xí)目的與要求    3.2  操作提示    3.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫  實習(xí)4  有結(jié)間荷載作用時剛架分析程序的設(shè)計    4.1  實習(xí)目的與要求    4.2  操作提示    4.3  源程序修改提示  實習(xí)5  平面剛架動力分析程序的應(yīng)用    5.1  實習(xí)目的與要求    5.2  操作提示    5.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫  實習(xí)6  平面剛架穩(wěn)定性分析程序的應(yīng)用    6.1  實習(xí)目的與要求    6.2  操作提示    6.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫附錄Ⅱ  結(jié)構(gòu)計算程序  程序1  平面桁架靜力分析程序（FORTRAN 95，C++）  程序2  平面剛架靜力分析程序（FORTRAN 95，C++）  程序3  平面剛架動力分析程序（FORTRAN 95，C++）  程序4  平面剛架穩(wěn)定性分析程序（FORTRAN 95，C++）附錄Ⅲ  習(xí)題部分答案或提示附錄Ⅳ  索引主要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中已介紹了力法和位移法這兩種基本的結(jié)構(gòu)分析方法。按照這兩種分析方法，求解原結(jié)構(gòu)的問題最終都轉(zhuǎn)化為求解一組線性代數(shù)方程的問題。當(dāng)結(jié)構(gòu)的桿件數(shù)量增加時，方程組的未知量數(shù)目通常也會隨之增多，用手工求解就變得十分困難。于是，出現(xiàn)了通過數(shù)值運算求解結(jié)構(gòu)的各種漸近法，如力矩分配法、迭代法等；以及對結(jié)構(gòu)作某種簡化后再行求解的近似計算法，如剪力分配法、D值法等。然而，這些實用計算方法都是建立在手算基礎(chǔ)之上的，引入了諸如忽略桿件軸向變形的影響、無結(jié)點線位移存在或橫梁剛度遠(yuǎn)大于柱的剛度等項假定，其適用范圍一般比較窄小，或是所得出的結(jié)果帶有一定的誤差；而且，這些方法也很難拓展到結(jié)構(gòu)的動力、穩(wěn)定性以及非線性分析的問題中去，其結(jié)構(gòu)分析的過程也不容易規(guī)一化。因此，在研究如何運用電子計算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的問題時，考慮的出發(fā)點又需要回到力法、位移法這樣帶有根本性和普遍適用性的方法上來。結(jié)構(gòu)矩陣分析方法實際上就是將結(jié)構(gòu)分析的基本原理和方法用矩陣代數(shù)的形式表達(dá)出來并進(jìn)行求解。這樣，不僅可以使結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理和分析過程表達(dá)得十分簡潔，更為重要的是可使結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析過程充分地規(guī)一化，便于電子計算機(jī)程序的編制。與結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法和位移法這兩種最基本的方法相對應(yīng)，結(jié)構(gòu)的矩陣分析方法也可以分為矩陣力法和矩陣位移法這兩大基本類型。當(dāng)用力法分析超靜定結(jié)構(gòu)時，對于同一個結(jié)構(gòu)可以采用不同形式的基本結(jié)構(gòu)。這樣就使分析過程與基本結(jié)構(gòu)的選定聯(lián)系在一起。而用位移法分析時，對應(yīng)一定的結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)的形式在實質(zhì)上是確定的。此外，力法不能直接運用于求解靜定結(jié)構(gòu)，而位移法對于求解超靜定結(jié)構(gòu)和靜定結(jié)構(gòu)是同樣適用的，其求解過程也完全相同。由此可見，位移法的分析過程比力法的分析過程更容易規(guī)一化，也就更適宜于用電子計算機(jī)來實現(xiàn)其分析過程。因此，矩陣位移法就成為計算結(jié)構(gòu)力學(xué)中一種最為基本的分析方法，這一方法無論在桿件體系還是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的分析中都獲得最為廣泛的應(yīng)用。本章先著重介紹矩陣位移法的基本原理和分析過程，然后再簡要介紹有關(guān)矩陣力法的基本原理。有關(guān)矩陣力法的簡要介紹也是為讀者日后有機(jī)會了解連續(xù)體有限單元力法和混合法打下基礎(chǔ)。

編輯推薦

《計算結(jié)構(gòu)力學(xué)》由科學(xué)出版社出版。

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