有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程（国际单位制版 第五版） [A First Course in the Finite Element Method SI Edition,Fifthe Edition] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] Daryl L. Logan 著，张荣华，王蓝婧，李继荣 译，姜丽梅 校

图书标签:

• 有限元方法
• 结构力学
• 数值分析
• 工程计算
• 科学计算
• 高等教育
• 教材
• 国际单位制
• 第五版
• 工程实践

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121238581

版次：5

商品编码：11535614

包装：平装

丛书名： 有限元应用与工程实践系列

外文名称：A First Course in the Finite Element Method SI Edition,Fifthe Edition

开本：16开

出版时间：2014-08-01

内容简介

　　《有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程（国际单位制版 第五版）》是国外介绍有限元方法的经典入门教程，主要介绍有限元方法的基本理论知识、一般原理、各类实体模型的问题求解和实际工业应用。全书以章节目标为导向，力求由浅入深、通俗易懂，旨在为初次接触有限元的大学生、研究生和工程技术人员提供学习有限元方法的入门教程，使其在无须通常所要求的前提条件下（如结构分析和高级微积分）就能学习有限元方法。　　《有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程（国际单位制版 第五版）》内容丰富新颖，涵盖了简单的弹簧和杆、梁的弯曲、平面应力／应变、轴对称、等参公式、三维应力、板的弯曲、热传导和流体介质、多孔介质、液压网络、电网络和静电学中的流体流动、热应力、与时间相关的应力和热传导等，并由此引出有限元分析的高级课题。此外，《有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程（国际单位制版 第五版）》还在不同阶段引入了弹性基本理论、直接刚度法、伽辽金残余法、最小势能原理、虚功原理等，以建立分析所需要的方程。　　《有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程（国际单位制版 第五版）》配置了100多个给出详细求解过程的实例。　　这些实例是用普通方法求解的，以便说明概念。每章后面总共给出了多达560多道习题以增强读者对概念的理解。此外，每章后面有便于使用的方程小结、建模附加信息、有限元解与解析解的比较、大量实体模型的例子和问题的计算机程序求解。《有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程（国际单位制版 第五版）》理论联系实际，是目前介绍有限元方法较系统的入门教程，既可作为土木和机械工程等专业的大学生或研究生学习有限元方法的基础教程，也适合于作为相关工程技术人员的参考书。

作者简介

　　张荣华，河北保定华北电力大学计算机系副教授，硕士生导师。主要研究方向：计算机图形学、软件工程、数据分析与数据挖掘。

内页插图

目录

第1章 绪论序言1.1 简短历史1.2 矩阵符号简介1.3 计算机的作用1.4 有限元方法的一般步骤1.4.1 直接平衡法或刚度法1.4.2 功或能量法1.4.3 加权残余法1.5 有限元方法的应用1.6 有限元方法的优点1.7 有限元方法的计算机程序参考文献习题
第2章 刚度法（位移法）引言2.1 刚度矩阵的定义2.2 弹簧单元刚度矩阵推导2.3 弹簧组装的例子2.4 用叠加法（直接刚度法）组装总体刚度矩阵2.5 边界条件2.5.1 齐次边界条件2.5.2 非齐次边界条件2.6 用势能法推导弹簧单元方程方程小结参考文献习题
第3章 建立桁架方程引言3.1 推导局部坐标中杆单元的刚度矩阵3.2 选择位移近似函数3.3 二维矢量变换3.4 平面内任意方向的杆的总体刚度矩阵3.5 计算x-y平面内的杆的应力3.6 解平面桁架3.7 三维空间中杆的变换矩阵和刚度矩阵3.8 利用结构的对称性3.9 斜支撑3.10 用势能法推导杆单元方程3.11 杆的有限元解与精确解的比较3.12 伽辽金残余法及其在推导一维杆单元方程中的应用3.12.1 一般公式3.12.2 杆单元公式3.13 其他残余法及其在一维杆问题中的应用3.13.1 配置法3.13.2 子域法3.13.3 最小二乘法3.13.4 伽辽金法3.14 三维桁架问题的解流程图3.15 桁架问题的计算机程序辅助按步解方程小结参考文献习题
第4章 建立梁的方程引言4.1 梁的刚度4.1.1 基于欧拉-伯努利梁理论的梁刚度矩阵（只考虑弯曲变形的情况）4.1.2 基于铁摩辛柯梁理论的梁刚度矩阵（包含横向剪切变形）4.2 梁单元刚度矩阵组装示例4.3 用直接刚度法分析梁的例子4.4 分布荷载4.4.1 等功法4.4.2 荷载替换的例子4.4.3 一般方程4.5 梁的有限元解与精确解的比较4.6 有铰接点的梁单元4.7 用势能法推导梁单元方程4.8 用伽辽金法推导梁单元方程方程小结参考文献习题
第5章 框架和格架方程引言5.1 二维任意方向梁单元5.2 平面刚架实例5.3 斜支撑——框架单元5.4 格架方程5.5 空间任意方向梁单元5.6 结构分析概念方程小结参考文献习题……第6章 建立平面应力和平面应变刚度方程第7章 建模的实际考虑、结果说明、平面应力／应变分析示例第8章 线性应变三角形方程的推导第9章 轴对称单元第10章 等参数公式描述第11章 三维应力分析第12章 板弯曲单元第13章 热传导和介质第14章 多孔介质、液压网络、电网络和静电学中的流体流动第15章 热应力第16章 结构动力学和时间相关的热传导附录A 矩阵代数附录B 解线性联立方程的方法附录C 弹性理论的方程附录D 等功节点力附录E 虚功原理附录F 结构钢宽翼（缘）截面（W形）的几何性质部分习题答案

前言/序言

　　前 言　　本书第五版的目的仍是提供一个学习有限元方法的入门方法， 使大学生和研究生在须通常所要求的前提条件下（如结构分析和高级微积分）就能学习有限元方法， 而这些前提条件是该领域大多数教材所需要的。此书主要是为土木和机械工程的大学生撰写的， 作为学习应力分析和热传导的基本学习工具。另外， 此版新增加电网络和静电学的内容供电气工程人员学习。然而， 由于各种概念以非常简单的形式给出， 并且整本书合理地配置了大量示例问题， 此书对其他背景的学生和实际工程人员也大有帮助。该书适合那些想把有限元应用于解决实际物理问题的各类人员。　　每一个课题先给出一般原理， 然后给出这些原理的传统应用， 在适宜的地方再给出计算机应用。用这种方法说明大型问题计算机分析所使用的概念。　　本书的叙述是从基本课题到高级课题， 并适合于双课程教学。处理的基本课题包括： （1）简单的弹簧和杆， 引向二维和三维桁架分析； （2）梁的弯曲， 引向平面框架和格架分析及空间框架分析； （3）基本平面应力/应变单元， 引向更高级的平面应力/应变单元及在更复杂的平面应力/应变分析中的应用； （4） 轴对称应力分析； （5）有限元方法的等参公式； （6）三维应力分析； （7）板的弯曲分析； （8）热传导和流体介质； （9）在多孔介质和固体周围的基本流体流动， 液压网络、 电网络以及静电学分析； （10）热应力分析； （11）与时间相关的应力和热传导。　　本书的其他特点是， 包括了如何处理倾斜支撑、 有节点铰接的梁单元、 子结构分析概念、 分片检验和建模的实际考虑及结果说明。　　按照需要在不同阶段引入了直接刚度法、 最小势能原理、 伽辽金残余法， 以建立分析所需要的方程。　　附录包括以下内容： （A）在整书中所用的基本矩阵代数； （B）联立方程求解方法； （C）弹性基本理论； （D）等功节点力； （E）虚功原理；（F）结构刚形状性质。　　全书有100多个已求解的例子。这些例子是用普通方法求解的， 以便说明概念。每章后面给出560多道习题以增强概念的理解。在书的后面给出了大多数习题的答案以帮助想要验证自己工作的读者。每章后面计算机程序求解的问题用一个计算机符号标明。　　版本的新特点包括： 更新大多数工程类教师使用的标准标记、 每章前面的章节目标以帮助学生了解本章所包含内容、 每章后面有便于使用的方程总结、 建模附加信息、 有限元解与解析解的更多比较、 大量的实体模型类的例子和问题求解。本版本的新特点还有以下内容： 液压网络、 电网络和静电学。增加了60多道寻求解决方案的新问题， 在第3章、 第5章、 第7章、 第11章和第12章增加了设计类型问题， 也增加了工业中的实际应用。正如第四版， 这一版故意略去了专用计算机程序， 建议教师选择他们熟悉的程序融入到有限元课程中。　　使用本书作为教材时， 建议选择以下课题作为初级课程（大约44节课， 每课50分钟）。　　课题 课时数　　附录A 1　　附录B 1　　第1章 2　　第2章 3　　第3章， 3．1节～3．11节， 3．14节， 3．15节 5　　例1 1　　第4章， 4．1节～4．6节 4　　第5章， 5．1节～5．3节， 5．5节 4　　第6章 4　　第7章 3　　例2 1　　第9章 2　　第10章 4　　第11章 3　　第13章， 13．1节～13．7节 5　　第15章 3　　例3 1　　此处概括的课题可用于土木工程和机械工程大学生和研究生第一学期的课程（如果需要强调总体应力分析， 第13章的内容可以用第8章、 第12章、 第16章的部分内容代替）。本书的其他内容可以在第二学期完成， 在第二学期教师还可提供其他附加材料。　　非常感谢Cengage 出版公司的职员， 特别是出版者Chris Shortt， 高级开发编辑Hilda Gowans， 高级组稿编辑Randall Adams， 还有RPK编辑服务公司的Rose Kernan， 感谢他们在完成该书此版中所给予的帮助。　　非常感谢Ted Belytschko博士出色地讲授有限元方法， 对我写此书有很大帮助。还要感谢Joseph Rencis博士提供了结构动力学问题的解析解， 在第16章中可以与有限元解进行比较。我还要感谢很多学生的建议， 使课题更加容易理解， 这些建议也被包含进了本书此版本中。　　要感谢Wisconsin-Platteville大学（UWP）的很多学生， 他们贡献了各种有限元课程中的二维或三维模型， 他们的名字出现在全书中。我也要感谢UWP的研究生Angela Moe和William Gobeli分别为图7．19和表11．2所做的工作。特别感谢UWP校友及Seagraves 消防装置设计工程师Andrew Heckman允许使用图11．10， 感谢John Deere Dubuque Works公司的结构工程师Yousif Omer先生允许使用图1．10。我要感谢Autodesk （Algor）的人员对图9．2（b）所做的贡献。最后要感谢Valmont 西海岸工程的高级设计工程师Ioan Giosan允许使用图1．11和图1．12及封面的风力发电机模型。　　感谢本书第五版的审阅者， 他们是密歇根州立大学的Andre Bernard， 密尔沃基工程学院的Vincent C． Prantil， 澳大利亚国立大学的Qinhua Qin， 密尔沃基工程学院的Robert Rizza， 艾奥瓦州立大学的Thomas J． Rudolphi和多伦多大学的J． K． Spelt， 他们给出了重要建议使本书更加完整。　　特别感谢项目助理Joyce Clifton， 她为扫描本书的资料提供了宝贵帮助。　　最后， 要特别感谢我的妻子Diane， 感谢她在我写作此书第五版时所做出的牺牲。

好的，这是一本不同于您提到的那本教材的图书简介，聚焦于工程实践、数值模拟的通用性以及更前沿或特定领域的主题。 --- 图书名称：现代结构动力学分析与基于高性能计算的仿真策略 内容概述 本书旨在为高级工程专业人士、研究人员以及在结构工程、机械工程和土木工程领域寻求深入理解和应用先进数值工具的工程师，提供一套全面且高度实用的知识体系。它不侧重于有限元方法的基础理论推导（如单元构建和刚度矩阵的形成），而是将焦点放在如何利用现代数值方法解决复杂的、时变载荷下的工程问题，并重点探讨如何将这些方法高效地部署在高性能计算（HPC）环境中以实现实际工程规模的仿真。 全书结构设计为从理论深度到工程实用的桥梁，强调建模假设的合理性选择、求解器的性能优化以及结果的工程可解释性。 第一部分：非线性动力学与高级材料本构模型 本部分深入探讨了在静态分析基础上必须考虑的动态效应以及材料行为的复杂性。 1. 结构动力学基础的拓展： 高阶模态分析与能量传递： 区别于标准教科书对前几阶模态的关注，本章详细讨论了高频模态对瞬态响应的影响，特别是在冲击载荷和高频振动控制中的作用。引入了模态能量百分比分析（Modal Energy Participation Factors）来指导模型简化和模态截断的决策。 解析解与数值解的对比： 在特定简化模型（如单自由度系统或简单梁结构）下，重新审视瑞利阻尼与质量矩阵的关系，并对比了Newmark-β法、中心差分法在收敛性、稳定性和计算效率上的优劣。 2. 复杂材料模型的实现与校准： 粘塑性与粘弹性理论： 详细介绍了广义Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型在描述聚合物、沥青或高温金属蠕变行为中的应用。重点讲解了如何根据实验数据（如DMA测试结果）反演材料参数。 断裂力学与损伤演化： 引入了基于内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）的界面分离模拟方法，用于预测复合材料分层和焊缝失效。探讨了相场法（Phase-Field Method）在模拟裂纹萌生和扩展中的优势与挑战，尤其是在大规模并行计算中的实施细节。 塑性模型的选择与标定： 侧重于先进的各向异性塑性模型（如Hill'48、Barlat Yld2000-2d）在金属成形和疲劳寿命预测中的应用，以及如何利用数字图像相关（DIC）技术对仿真结果进行实时验证。 第二部分：非线性求解策略与收敛性控制 本部分是全书的核心，关注在有限元求解器内部，如何确保大规模、高度非线性问题的稳定求解。 1. 非线性迭代方法的优化： 牛顿法及其变体： 详细分析了标准的牛顿法、修正牛顿法（Modified Newton）和线搜索法的收敛机理。重点阐述了如何在不完全迭代的情况下，通过更新切线刚度矩阵来节省计算成本（如BFGS方法的应用）。 初荷载与残差处理： 探讨了在大变形问题中，应力刚度矩阵（几何非线性）的构建和平衡残差的准确计算。引入了时间步长控制策略，如基于残差的自适应时间步进算法，避免“刚性”时间步导致的求解失败。 2. 接触与大变形模拟： 复杂多点接触算法： 详细比较了罚函数法、增广拉格朗日法（Augmented Lagrangian）和乘子法（Multiplier Method）在处理多体接触问题时的稳定性。特别关注滑动摩擦条件下的非光滑接触问题，及其在隐式求解器中的处理方法。 应力奇异性与网格依赖性： 讨论了在尖锐几何结构（如孔边）产生的应力奇异性问题，并提出了使用局部网格细化、或采用基于超元素（Submodeling）技术的工程后处理方案，以获得物理意义明确的应力结果。 第三部分：面向高性能计算的仿真策略 现代工程问题的规模（数百万自由度，多次瞬态步）要求仿真必须在并行架构上高效运行。本部分聚焦于算法的并行化。 1. 求解器并行化技术： 并行直接求解器： 深入解析了超大规模稀疏矩阵的并行存储格式（如CSR/COO的并行化版本）以及Cholesky分解、LU分解的并行化算法（如Schur补方法、超节点算法），并讨论了其对内存带宽的依赖性。 并行迭代求解器： 重点介绍预条件子的设计与实现。详述了代数多重网格法（AMG）在有限元网格上的构建，及其作为预条件子（Preconditioner）在求解大规模线性系统时的效率提升，特别是与Krylov子空间方法（如GMRES、CG）的结合。 2. 域分解与混合精度计算： 非重叠域分解方法（如FETI/BDDC）： 解释了如何通过划分计算域并将耦合信息通过界面传递来实现大规模并行。这对于模拟跨越多个处理器的复杂装配体至关重要。 混合精度计算的风险与收益： 探讨了在GPU加速或新型CPU架构上，使用单精度（FP32）甚至半精度（FP16）计算来加速矩阵乘法和向量操作的潜力。同时，提出了在关键迭代步骤中恢复到双精度（FP64）以保证收敛性和最终结果精度的混合精度策略。 第四部分：多场耦合与前沿应用案例 本部分展示了如何将前述的先进数值技术应用于需要考虑多物理场相互作用的复杂工程场景。 1. 压电与热机械耦合分析： 机电耦合（ME）基础： 介绍了压电本构方程在有限元框架下的实现，特别关注了电场边界条件在瞬态分析中的处理。案例涉及超声换能器或智能材料驱动器的设计。 热-固-流耦合（Thermo-Mechanical-Fluid）： 聚焦于电池热失控仿真（热扩散、材料相变与结构应力耦合）或涡轮叶片的热疲劳分析，强调了不同物理场求解器之间信息传递的同步与解耦策略。 2. 随机性与可靠性评估： 基于蒙特卡洛（MC）的可靠性分析： 讨论了当材料参数或载荷具有不确定性时，如何设计高效的MC抽样方案（如拉丁超立方抽样 LHS）来评估结构失效概率。 随机有限元方法（SFE）： 引入了摄动方法和随机插值技术来处理具有空间相关性的随机场输入，从而避免对每个随机样本运行一次完全的有限元分析，显著降低计算成本。 --- 目标读者群： 具有扎实有限元基础（熟悉单元、积分点、刚度矩阵构建）的结构/机械/航空工程师，寻求将仿真能力提升到处理工业级非线性、瞬态、以及多物理场耦合问题的专业人士。本书的重点在于“如何高效、稳定地求解这些问题”，而非“如何从零推导有限元公式”。

评分☆☆☆☆☆

作为一名希望在工程领域有所建树的学生，我对能够提升实际问题解决能力的工具和知识储备有着迫切的需求。有限元方法无疑是其中最重要的一环。这本书的标题“有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程”立刻吸引了我，它暗示了这本书并非纸上谈兵，而是真正关注于如何在实际工程中应用有限元方法。我尤其看重“应用与工程实践”这几个字，这意味着书中很可能包含了丰富的案例研究，能够展示有限元方法在不同工程领域（如机械、土木、航空航天等）的实际应用。我对书中是否会提供关于网格质量评估、收敛性分析以及误差估计的讨论非常感兴趣，因为这些是在工程实践中确保计算结果可靠性的关键环节。此外，作为一个对数值计算方法充满好奇的学习者，我非常期待书中能够深入浅出地讲解有限元方法的数学原理，比如变分原理、加权余量法等，让我能够知其然更知其所以然。第五版的更新，也让我对书中可能包含的最新技术或方法论充满期待。这本书给我的印象是严谨且实用的，我希望它能成为我理解和运用有限元方法解决复杂工程问题的得力助手，为我未来的学术研究和职业生涯添砖加瓦。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出版，着实让我眼前一亮，也激起了我想要深入探索有限元这片领域的强烈欲望。虽然我尚未开始阅读，但仅仅是书名中的“有限元应用与工程实践系列”和“有限元方法基础教程”，就足以让我感受到它在理论与实践之间架设桥梁的决心。我一直对工程问题中的力学分析和数值模拟有着浓厚的兴趣，而有限元方法无疑是解决这类复杂问题的强大工具。这本书的“国际单位制版”也意味着它采用了全球通用的标准，这对于我这种需要与国际文献和项目打交道的学习者来说，无疑大大增加了其实用性和便捷性。第五版的更新，更是让我期待它能够包含最新的理论进展和更贴近实际工程应用的案例。我特别好奇书中是否会深入讲解网格划分策略、边界条件的处理，以及如何选择合适的单元类型来应对不同几何形状和载荷条件下的工程问题。如果书中能提供一些实际的工程案例分析，例如结构强度分析、热传导模拟，甚至是流体动力学计算，那就再好不过了。这本书给我一种踏实可靠的感觉，它不仅仅是一本教程，更像是一个通往工程实践的指南。我非常期待它能够为我打开一扇新的大门，让我能够更自信、更高效地运用有限元方法解决我所面临的工程挑战。

评分☆☆☆☆☆

说实话，拿到这本书之前，我对有限元方法的理解还停留在比较模糊的阶段，知道它是一种数值分析方法，能够解决一些解析解难以获得的复杂问题，但具体如何操作、背后的原理又是怎样的，一直让我感到有些困惑。这本书的“基础教程”定位，恰好满足了我当前的学习需求。我希望通过这本书，能够清晰地理解有限元方法的整个流程，从离散化、插值函数选择，到刚度矩阵的组装、求解方程组，再到结果的后处理和验证。特别是“应用与工程实践”这个系列名称，让我看到了它不仅仅是枯燥的理论讲解，更强调的是如何将这些理论转化为实际的工程应用。我非常期待书中能提供一些具体的、有代表性的工程算例，并且详细讲解这些算例的建模过程、参数设置以及结果解读。例如，如果能够涉及到一些桥梁结构的受力分析、汽车零部件的强度评估，或者甚至是更复杂的模态分析和疲劳寿命预测，那将是极大的收获。我对“国际单位制版”这一点也感到非常满意，它能够避免单位换算带来的混淆，让我能更专注于算法本身。这本书给我一种循序渐进、学以致用的感觉，我期待它能帮助我建立起坚实的有限元基础，并为我未来的工程实践打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

对于我来说，有限元方法一直是工程分析领域中一个令人神往但又稍显神秘的存在。我知道它是一种强大的数值计算工具，被广泛应用于解决各种复杂的工程问题，但往往觉得它门槛较高，理论体系庞大。这本书的书名，“有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程”，恰好点燃了我想要深入了解的火花。我尤其被“应用与工程实践”所吸引，这让我相信这本书不仅仅是理论的堆砌，而是能够提供实际操作的指导和工程上的启发。我希望这本书能够从最基础的离散化概念讲起，逐步深入到单元的构建、刚度矩阵的推导，以及方程组的求解等核心内容。对于“国际单位制版”，我非常赞赏，这使得学习过程更加直观，避免了繁琐的单位换算。我非常期待书中能够涵盖一些实际工程中的典型案例，例如在结构工程领域对复杂结构的静力分析、动力响应分析，或者在材料科学领域对材料性能的模拟预测。如果书中能提供一些关于如何选择和建立适合实际工程问题的有限元模型的指导，以及对计算结果进行有效验证的讨论，那将对我极有价值。这本书给我一种务实且富有启发性的感觉，我期待它能够帮助我拨开有限元方法的迷雾，真正掌握这项强大的工程分析技术。

评分☆☆☆☆☆

在我学习工程力学的过程中，经常会遇到一些几何形状复杂、载荷条件多变的问题，这些问题往往难以通过传统的解析方法得到精确的解答。有限元方法以其强大的数值求解能力，为解决这类难题提供了有效的途径。这本书的书名，“有限元应用与工程实践系列”，正是我所需要的。我非常看重它“基础教程”的定位，这说明它能够为我这样初学者提供清晰、系统的学习路径。我希望这本书能够从最基本的单元形函数、积分方程推导开始，逐步引导我理解有限元法的核心思想。特别是“国际单位制版”，对于我这样的国际学生来说，极大地降低了学习门槛，让我能够直接对接国际上的工程标准和文献。我期待书中能够包含一些典型的工程算例，例如在土木工程中的梁、板、壳的分析，在机械工程中的应力集中和疲劳分析，甚至是在航空航天领域的热应力分析。如果书中能够对不同单元类型（如梁单元、板单元、实体单元）的适用性以及它们各自的优缺点进行详细的阐述，那就更棒了。这本书给我的感觉是专业、系统且具有指导性，我非常期待它能够帮助我建立起扎实的理论基础，并培养起独立解决工程问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

书很好，这是国外的翻译版本，写的比较详细

评分☆☆☆☆☆

书挺不错，送货速度也快

评分☆☆☆☆☆

入门书籍，买了看看

评分☆☆☆☆☆

我儿需要的，带德国去用了！

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非常好的一本书，正在读

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很不错的入门书籍，讲解得很清晰，绝对正版

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刚开始阅读，感觉还可以。

评分☆☆☆☆☆

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有限元应用与工程实践系列：有限元方法基础教程（国际单位制版 第五版）