計算結構力學

前言

現(xiàn)代工程技術的日益進步和電子計算機的飛速發(fā)展對結構分析的理念與方法產(chǎn)生了深遠的影響。一方面，大型工程結構在各種復雜因素作用下的分析要求強化結構力學基本概念的綜合運用和概念設計的理念；另一方面，運算能力的劇增要求發(fā)展與之相適應的結構分析理論和方法，這就促進了傳統(tǒng)結構力學向概念結構力學和計算結構力學兩個方向的縱深發(fā)展。發(fā)展的形勢要求結構工程師和研究人員必須具備熟練地運用計算機進行結構分析的能力。“計算結構力學”的發(fā)展正是適應了這種需要，它已成為高等工業(yè)院校工程結構類和力學類等專業(yè)學生的必修課程。本書是筆者二十多年來在同濟大學從事這門課程教學所用教材的基礎上寫成的。書中主要包括三方面的內容：一是桿系結構矩陣分析的原理，包括結構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；二是結構分析程序的設計原理與應用軟件，包括平面桁架、平面剛架靜力分析和剛架動力、穩(wěn)定性分析程序的設計與應用軟件，以及結構非線性分析程序的設計原理；三是結合微型計算機介紹上述結構計算程序的工程應用。本書將上述三方面的內容有機地結合起來，使讀者能較快地學以致用。在基礎理論部分，書中十分強調正確物理概念的樹立與靈活運用，例題和習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。本書所介紹的結構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系統(tǒng)地掌握一整套實用的結構計算程序，并可在工程實踐和理論研究工作中加以應用。程序的設計考慮了通用性，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。

內容概要

本書主要介紹桿系結構矩陣分析的基本原理、結構分析程序的設計方法以及計算程序的實際應用等三方面的內容，旨在使讀者學會結構的計算機分析。全書共分7章，分別介紹桿系結構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)定性分析程序的設計與應用以及結構非線性分析程序的設計方法等。書中配有上機實習指導材料，各章均有豐富的例題和習題。    本書可作為高等工業(yè)院校工程結構類和力學類等專業(yè)“計算結構力學”課程的教學用書，也可供有關專業(yè)工程技術人員參考。

作者簡介

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

書籍目錄

前言主要符號表第1章  緒論第2章  結構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與特點  2.4  直接剛度法  2.5  直接剛度法的計算機處理    2.5.1  總剛度矩陣的計算機存儲    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  等效結點荷載  2.8  子結構法  2.9  矩陣力法的基本原理  習題第3章  平面桁架靜力分析程序設計與應用  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用  習題第4章  平面剛架靜力分析程序設計與應用  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用  習題第5章  結構動力分析和程序設計與應用  5.1  概述  5.2  結構動力分析的有限單元法  5.3  用虛功原理推導單元剛度矩陣    5.3.1  用結點位移表達單元的位移模式    5.3.2  用結點位移表達單元的應變和應力    5.3.3  由虛功原理導出剛架單元的剛度矩陣  5.4  用虛功原理推導等效結點荷載  5.5  剛架單元的質量矩陣  5.6  結構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用  習題第6章  結構穩(wěn)定性分析和程序設計與應用  6.1  概述  6.2  結構穩(wěn)定性分析的有限單元法  6.3  單元初應力矩陣  6.4  結構穩(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)定性分析程序的應用  習題第7章  結構非線性分析和程序設計  7.1  概述  7.2  結構幾何非線性分析的有限單元法    7.2.1  帶有流動坐標的迭代法    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  結構的塑性分析  7.6  結構非線性分析程序設計  習題附錄Ⅰ  上機實習資料  實習1  平面桁架靜力分析程序的應用    1.1  實習目的與要求    1.2  操作提示    1.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫  實習2  用乘大數(shù)法處理位移邊界條件程序設計    2.1  實習目的與要求    2.2  操作提示    2.3  源程序修改提示  實習3  平面剛架靜力分析程序的應用    3.1  實習目的與要求    3.2  操作提示    3.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫  實習4  有結間荷載作用時剛架分析程序的設計    4.1  實習目的與要求    4.2  操作提示    4.3  源程序修改提示  實習5  平面剛架動力分析程序的應用    5.1  實習目的與要求    5.2  操作提示    5.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫  實習6  平面剛架穩(wěn)定性分析程序的應用    6.1  實習目的與要求    6.2  操作提示    6.3  計算模型與數(shù)據(jù)填寫附錄Ⅱ  結構計算程序  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  習題部分答案或提示附錄Ⅳ  索引主要參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：在結構力學課程中已介紹了力法和位移法這兩種基本的結構分析方法。按照這兩種分析方法，求解原結構的問題最終都轉化為求解一組線性代數(shù)方程的問題。當結構的桿件數(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)值運算求解結構的各種漸近法，如力矩分配法、迭代法等；以及對結構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之上的，引入了諸如忽略桿件軸向變形的影響、無結點線位移存在或橫梁剛度遠大于柱的剛度等項假定，其適用范圍一般比較窄小，或是所得出的結果帶有一定的誤差；而且，這些方法也很難拓展到結構的動力、穩(wěn)定性以及非線性分析的問題中去，其結構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進行結構分析的問題時，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。結構矩陣分析方法實際上就是將結構分析的基本原理和方法用矩陣代數(shù)的形式表達出來并進行求解。這樣，不僅可以使結構力學的原理和分析過程表達得十分簡潔，更為重要的是可使結構的力學分析過程充分地規(guī)一化，便于電子計算機程序的編制。與結構力學中的力法和位移法這兩種最基本的方法相對應，結構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。當用力法分析超靜定結構時，對于同一個結構可以采用不同形式的基本結構。這樣就使分析過程與基本結構的選定聯(lián)系在一起。而用位移法分析時，對應一定的結構，基本結構的形式在實質上是確定的。此外，力法不能直接運用于求解靜定結構，而位移法對于求解超靜定結構和靜定結構是同樣適用的，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來實現(xiàn)其分析過程。因此，矩陣位移法就成為計算結構力學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)體結構的分析中都獲得最為廣泛的應用。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矩陣力法的基本原理。有關矩陣力法的簡要介紹也是為讀者日后有機會了解連續(xù)體有限單元力法和混合法打下基礎。

編輯推薦

《計算結構力學》由科學出版社出版。

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