工程中的有限元方法 (中文版+英文版+源程序)

工程中的有限元方法 (中文版+英文版+源程序)Introduction to finite elementsin Engineering (Third Edition)工程中的有限元方法第3版(7 Tirupathi RChandrupatlaAshok D Belegundu曾攀译!:清华大学出版社北京Simplified Chinese edition copyright 2006 by PEARSON EDUCATION ASIA LIMITED andTSINGHUA UNIVERSITY PRESSOriginal English language title from Proprietors edition of the woOriginal English language title: Introduction to Finite Elements in Engineering, Third edition byTirupathi R. Chandrupatla, Ashok D. Belegundu, Copyright@ 2002EISBN:0-13-061591-9All Rights ReservedPublished by arrangement with the original publisher, Pearson Education, Inc, publishing asrentice hallThis edition is authorized for sale only in the Peoples Republic of China (excluding the SpecialAdministrative Region of Hong Kong and Macao)本书中文简体翻译版由培生教育出版集团授权给清华大学出版社在中国境内(不包括中国香港、澳门特别行政区)出版发行。北京市版权局著作权合同登记号图字:01-20035212版权所有,翻印必究。举报电话:010-627829891350125667813801310933图书在版编目(CP)数据程中的有限元方法:第3版/(美)钱德拉佩特拉( handrupatla,T,R.),(美)贝莱冈度( Belegundu,A.D.)著;曾攀译.北京:清华大学出版社,2006.1l书名原文: Introduction to Finite Elements in engineering,3eISBN7-302-13172-4I.∷…Ⅱ.①钱…⑨贝…③曾…Ⅲ.有限元法一应用一「程技术Ⅳ.TBl15中国版本图书馆(IP数据核字(2006)第059869号出版者:清华大学出版社地址:北京清华大学学研大厦http://www.tup.com.cn邮编:100084杜总机:010-62770175客户服务:010-62776969赉任编辑:杨倩印刷者:北京密云胶印厂装订者:北京鑫海金澳胶印有限公司发行者:新华书店总店北京发行所开本:175245印张:26.75字数:539千字版次:2006年11月第1版2006年11月第1次印刷书号:ISBN7-302-13172-40·552印数:1-1000定价:45.410元(含光盘)FOREWORD译者序有限元方法( finite element method)是求解各种复杂数学物理问题的重要方法,利用该方法可以获取几乎任意复杂工程结构的各种信息,还可以直接对工程设计进行各种评判,可以对各种工程事故进行技术分析。据有关资料介绍,一个新产品的问题约有50%~70%以上可以在设计阶段消除,在国际上,几乎重要的机械产品和装备都必须要采用数值方法进行计算分析和技术校核。实际上,大规模计算在科学研究上,已成为探知复杂对象本质规律的定量分析手段;在工程设计和工艺设计上,可以成为替代大量实物试验的数字化“虚拟试验”做到高效率和低成本。如美国 Boeing公司设计B777飞机,就在计算机上完全实现了原型和制造工艺的“无纸设计”,其中大规樸工程计算(模拟与仿真)起到核心技术的支撑作用。如对于新型轿车的设计和制造,如果釆用全数字化的设计和高精度的模拟,可以减少近60%以上的实物试验,新型号的开发时间可以缩短一半,开发费用也可降低分之一以上。可以看出,有限元方法已经作为一种成熟的分析手段,在科学研究、工程设计与评判中发挥着巨大的作用。该书的书名为《工程中的有限元方法》( Introduction to finiteElements in engineering),是近年来在国际上有限元分析教学方面具有较大影响的大学教程之一,该书的一个显着特点是:在介绍有限元方法基本原理的同时,提供相应的工程背景和建模技巧,书中所给出的实例和习题几乎都对应有或涉及到实际工程背景,使读者在学习过程中就体会和了解实际问题的有限元建模过程,可以说这正是学习有限元分析方法的重要内容之一该书的两个编著者之一Dr. Tirupathi r. Chandrupatla为美国Rowan University机械工程系的教授和主任,曾在工业界从事机械设计工作,具有丰富的工程实际经验,也开展了有限元方法方面的学术研究;他长期从事有限元方面的教学工作,形成了在有限元教学中基本理论与实际工程相结合的显著特点。另一位作者Dr. Ashok dBelegundu在 The Pennsylvania State University执教,也是从事机械系统及设计方面的研究,在结构有限元分析及优化方面发表一大批学术论文,在学术和教学方面也有较大的影响。Dr. Tirupathi R. Chandrupatla与Dr. Ashok D. Belegundu合作,在1991年写出了“工程中的有限元方法”教程,该教程由于特点鲜明在大学中广受欢迎和赞誉,取得很好的教学效果,于1997年出版了该书的第2版;5年后,又由Prentice-Hall公司出版了该书的第3版,并且完全保留了前两版的特点。第3版在介绍有限元方法的同时,特别考虑了课程教学的特点,注重方法原理的论述与实用例题的展示,提供了250多个图示和大量的实例。第3版还提供了所有的计算机程序源代码。该书写作流畅,推导严谨,实例丰富,特别注重实用性,可以作为机械、力学、土木、水利、航空航天等专业的学生进行有限元方法学习的教材。对于希望既学习有限元方法原理又学习相关英文专业术语表达的读者,可将该书与原英文影印版教材结合起来使用(原版英文教材已引进,见:T.R.钱德拉佩特拉,A.D.贝莱冈度.工程中的有限元方法.北京:机械工业出版社,2005),必将取得更好的效果。参加本书翻译工作的有:曾攀(前言、第1章、第10章、附录A和索引)、方刚(第6章)、雷丽萍(第2章、第9章)、娄路亮(第5章)、孔劲(第7章)、杨学贵(第11章)、李莹(第3章)、杨濯(第8章、第12章)、刘海军(第4章),高懿翻译了扉页、程序格式说明、习题答案、常用材料性能列表、单位换算内容,曾攀负责对每章的校对和复译,方刚副教授,雷丽萍副教授,博士生赵迎红、孙朝阳、高懿,硕士生赵瑞海、王金鹛、曹鹏、杜婧、王飞、张晓峰、蔡芳还参加了最后的核对;译者还特别感谢张慧玲女士、清华大学出版社的杨倩编辑对本书出版的重要贡献。由于译者的水平有限,在对原文的理解和专业用语方面难免有不妥之处,敬请读者指出并原谅。清华大学机械工程系主任教育部“长江学者奖励计划”特聘教授2006年4月..工程中的有元才峡(第3艇)PREFACE前言本书的第1版在10多年以前问世,几年之后出版了第2版,我们收到了来自使用该书的教授、学生和从事实际工作的工程师的正面反馈意见,也了解到在过去20年中我们学校的学生使用该书的各方面情况。在这一新版中,已充分考虑了许多建议,本书的基本出发点是提供有限元方法的清晰理论、建模方法以及具体的计算机实现程序新版依然还保留前两版的教学特点。在本书的许多章节中还增加了一些新的材料,补充了实际算例和练习题以帮助读者更好地学习和理解,而练习题更强调对基本理论的理解和对实际问题的考虑,所增加的理论和计算机程序涉及声学、轴对称四边形单元、共轭梯度算法以及特征值问题,在该版中还增加了三个附加程序,所提供的程序都是在 Windows平台上进行开发的,并且都具有相同的编程结构以方便读者效仿使用,所釆用的语盲包括Visual Basic Microsoft Excel/ Visual basic、 MATLAB,以及早期使用的 QBASIC、 FORTRAN和C,相应的求解说明也作了更新。第1章简要介绍有限元方法的历史背景和基本概念,对平衡方程、应力应变关系、应变位移关系和势能原理进行评述,引入 Galerkin方法的概念。第2章介绍矩阵和行列式的性质,引入 Gauss消元法,讨论对称带状矩阵方程的求解和带状矩阵“特征顶线”( skyline)的处理方法,对Cholesky分解和共轭梯度法也作了讨论。第3章通过对一维问题的分析介绍有限元方法的基本概念和表达式,涉及有限元分析的主要步骤:形状函数的表达、单元刚度矩阵的推导、整体刚度矩阵的形成、边界条件的处理、方程的求解以及应力计算;同时给出了基于势能方法和 Galerkin方法的表达式,还考虑温度效应的处理。第4章给出平面及三维桁架问题的有限元表达,对于整体刚度矩阵的组装,分别给出带状炬阵和具有“特征顶线”矩阵的形式,还提供基于这两种形式进行求解的计算机程序。第5章介绍用于二维平面应力和平面应变问题求解的常应变三角形单元(CST),详细给出问题的建模过程及边界条件的处理方法,对于正交各向异性材料也给出相应的处理方法。第6章介绍轴对称物体在承受轴对称外载时的建模过程,给出相应的三角形单元表达式,还提供几个实际问题的处理方法。第7章介绍等参四边形单元和高阶单元的基本概念以及釆用 Gauss方法进行面积积分的数值方法,给出轴对称四边形单元的表达式以及基于共轭梯度法求解的过程。第8章讨论梁单元及 Hermite形状函数的应用,涉及二维及三维框架结构。第9章为三维应力分析,包括四面体单元和六面体单元,还介绍波前法的求解及其实现过程第10章详细介绍标量场问題的处理,在其他各章中均将 Galerkin方法和能量原理作为推导有限元方法的基本原理,在本章中,仅采用 Galerkin方法进行推导,采用该方法可以直接对所给出的微分方程进行处理,而不需要定义一个用来求最小值的等效泛函。该章分别就稳态传热、扭转、一般流动、渗流、电磁场、管道中流动、声学等问题给出相应的 Galerkin方法表达式。第11章为动力学问题,给出单元质量矩阵表达,对一般特征值问题的特征值(自然率频)、特征向量(模态形状)的求解进行讨论,给出求逆迭代法、 Jacobi法、三对角化法以及显式漂移法等求解方法。第12章介绍前处理及后处理的概念,给出二维问题网格自动划分的原理及实现方法,对于三角形和四边形单元给出由单元值求取节点应力的最小二乘方法,还介绍了后处理中的等值线技术。对于大学本科生来说,书中一些较深的内容可以忽略,或根据某一新的完整内容体系,按需要来采用本书的材料,建议并鼓励在学习完第5章后就开始使用第12章中的程序,这样可以帮助读者高效率地准备各种有限元分析的数据。我们对 Nels Madsen( Auburn University), Arif Masud( University ofIllinois(Chicago )) Robert L. Rankin( Arizona State University ) John SStrenkowsi NC State University ), u K Hormoz Zareh Portland StateUniversity)表示感谢,正是他们对本书的第2版进行了审阅并给出了许多建设性的意见,这些对我们有很大帮助。本书的作者 Tirupathi Chandrupatla对J. Tinsley Oden表示感谢,正是他的教导和鼓励影响了 Chandrupatla的一生,还要感谢在 Rowan University和Kettering University就读的学习该课程的学生;感谢同事 Paris von Lockette在本书第2版出版后的教学活动中所提出的很好意见,感谢技术编辑 Fran daniele在本书最后的出版中所进行的一丝不苟的工作。工程中約才展元才法第3)本书的作者 Ashok Belegundu感谢他在滨州州立大学( Penn StateUniversity)的学生,他们对教程材料和程序提出了很好的建议,感谢机械与核工程系主任 Richard c. Benson所给予的鼓励和支持,感谢在声学系工作的 VictorW. Sparrow教授和博士生 Dongjai Lee,他们对本书的相关章节进行了讨论并提供了一些素材;感谢已故的父亲,他对本书前两版的鼓励一直激励我完成本书。我们感谢 Prentice hall出版社的编辑 Laura Fischer,她为我们完成了一项非常出色的工作。Tirupathi R. ChandrupatlaAshok D. Belegundu背書Finite Elements in eFOREWORD目录第1章基本概念1.1引言1.2历史背景…·、1.3本书概要……1.4应力与平衡方程…1.5边界条件……111224556应变位移关系…1.7应力应变关系1.8温度效应………1.9势能与平衡方程, Rayleigh-Ritz法…10 Galerkin方法………………………121.11圣维南原理…………141.12 von mises应力151.13计算机程序…………………………………………151.14小结16有限元发展过程的参考文献……………………………16习题……16第2章矩阵代数与高斯消元法202.1矩阵代数202.2高斯消元法272.3方程求解的共轭梯度法………………37习题……………39程序清单……40第3章一维问題…………………………………………433.1概述………………………………43