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出版者:中国水利水电出版社

作者:赵更新编

出品人:

页数:371

译者:

出版时间:2002-7

价格:38.0

装帧:平装

isbn号码:9787508409207

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《土木工程结构分析程序设计》一书，旨在为土木工程领域的学生、研究人员及实践工程师提供一套系统、实用且前沿的结构分析程序设计方法论与实践指南。本书内容聚焦于如何将土木工程结构分析的理论知识转化为可执行的计算机程序，从而提升分析的效率、准确性和复杂结构的应对能力。 核心内容概述： 本书的编写理念是以“理论与实践并重，基础与前沿结合”为指导，深入浅出地阐述结构分析的基本原理，并在此基础上，详细介绍如何运用现代编程技术实现这些理论。不同于纯理论书籍，《土木工程结构分析程序设计》更侧重于“如何做”，即如何从零开始构建一个能够解决实际工程问题的结构分析软件。 第一部分：结构分析理论基础回顾与程序化思路（约占全书20%） 在进入程序设计之前，本书首先会对土木工程结构分析的核心理论进行系统性的回顾与梳理。这部分内容并非详尽的理论推导，而是从程序设计的角度出发，提炼出关键的数学模型、力学概念以及算法基础。 经典结构分析方法论的程序化解读： 力法（Force Method）与位移法（Displacement Method）的数学模型： 详细解析这两种经典方法的矩阵表达形式，例如柔度矩阵、刚度矩阵的构建原理，以及它们在程序中的数据结构设计。强调如何将连续方程离散化，转化为代数方程组。 有限单元法（Finite Element Method, FEM）的基础： 深入浅出地介绍有限单元法的基本思想，包括单元的离散化、单元形函数（Shape Functions）的选择、单元刚度矩阵的推导（以梁单元、杆单元、平面应力单元为例）、单元连接与整体组装（Assembly）、边界条件施加（Boundary Conditions）以及方程求解。重点在于理解其“分而治之”的策略在程序实现中的优势。 荷载与变形的物理意义： 阐述外荷载、内力（应力、应变）与结构变形（位移、转角）之间的内在联系，以及这些关系在程序中的数值表达。 程序化分析的准备： 离散化策略： 讨论不同类型结构（如桁架、框架、梁、板壳等）的节点划分、单元选择原则，以及网格划分对分析结果精度和计算效率的影响。 求解思路： 介绍求解大型稀疏线性方程组的基本方法，如高斯消元法、LU分解、Cholesky分解、以及迭代法（如共轭梯度法）的适用性与优缺点，为后续程序设计中的算法选择打下基础。 数据结构设计： 引入合适的程序数据结构来存储节点坐标、单元拓扑、材料属性、边界条件、荷载信息、刚度矩阵、节点位移向量、单元内力向量等关键信息，为高效的算法实现奠定基础。 第二部分：核心程序模块设计与实现（约占全书40%） 本部分是本书的核心，详细介绍如何根据第一部分阐述的理论基础，逐步构建结构分析程序中的各个关键模块。本书提倡模块化设计思想，使程序结构清晰，易于理解、维护和扩展。 输入模块（Input Module）： 几何与拓扑输入： 如何设计用户友好的几何建模接口，或者直接读取CAD文件（如DXF格式）的节点坐标、单元连接信息。讨论各种数据格式的转换与校验。 材料属性输入： 弹性模量、泊松比、密度等材料参数的输入与存储。考虑各向同性、正交异性、各向异性材料的程序实现。 边界条件输入： 固定约束、铰接约束、滚动支座、弹簧支座等不同类型约束的定义与程序化表达。 荷载定义： 集中力、均布荷载、随位置变化的荷载、节点荷载、单元荷载等不同类型荷载的输入方式与数据结构。 载荷工况（Load Cases）管理： 如何组织和管理多个独立的载荷工况，为后续的组合分析做准备。 单元模型与刚度矩阵生成模块（Element Model & Stiffness Matrix Generation Module）： 通用单元接口设计： 抽象出不同单元共有的属性与行为，设计通用的单元类或接口。 典型单元（如杆单元、梁单元）的实现： 详细给出这些单元的局部坐标系与全局坐标系之间的转换（坐标转换矩阵），局部刚度矩阵的推导，以及如何将其变换到全局坐标系。 高级单元（如平面梁单元、三维实体单元）的初步探讨： 介绍构建更复杂单元时所需考虑的额外因素，如剪切变形、泊松效应等。 整体组装模块（Assembly Module）： 全局刚度矩阵的构建： 详细描述如何根据单元连接信息，将各个单元的全局刚度矩阵“组装”成大型的整体全局刚度矩阵。介绍稀疏矩阵存储技术（如COO, CSR, CSC格式）的应用，以节省内存和提高计算效率。 全局荷载向量的构建： 将所有单元和节点的荷载信息汇总到全局荷载向量中。 边界条件处理模块（Boundary Condition Processing Module）： 自由度约束（Degree of Freedom Suppression）： 详细介绍如何将固定边界条件转化为方程组的修改，例如通过直接法（方程替换或划行划列）或Penalty法等。 预处理与等效节点力： 对于某些特定类型的边界条件（如预应力），需要进行预处理并转化为等效节点荷载。 方程组求解模块（Equation Solver Module）： 直接求解器实现： 重点介绍高斯消元法的实现细节，包括主元选取、消元过程、回代求解。讨论其在小型问题中的效率与在大型问题中的存储与计算开销。 迭代求解器简介： 简要介绍Jacobi、Gauss-Seidel、共轭梯度法等迭代法的基本原理，并分析其在大型稀疏矩阵求解中的潜在优势。 内力与应力计算模块（Internal Force & Stress Calculation Module）： 基于节点位移反算单元内力： 利用已求解的节点位移向量，通过单元刚度矩阵和形函数，计算每个单元的内力（轴力、剪力、弯矩、扭矩）。 应力与应变计算： 根据内力或直接根据位移场，计算单元内部的应力与应变。 第三部分：高级分析技术与程序扩展（约占全书25%） 在掌握了基础的结构分析程序设计后，本书将进一步探讨更高级的分析技术，并指导读者如何扩展程序以适应更广泛的应用需求。 动力响应分析： 自由振动分析（模态分析）： 求解特征值与特征向量，获得结构的自振频率与振型。介绍广义特征值问题的求解方法。 响应谱分析（Response Spectrum Analysis）： 介绍如何利用地震响应谱或其他工程谱，通过模态叠加法计算结构的动力响应（最大位移、最大内力等）。 时程分析（Time History Analysis）： 介绍如何建立结构的动力方程（包括质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵），并采用数值积分方法（如中心差分法、Newmark法）求解其在任意时程荷载作用下的动力响应。 非线性分析基础： 几何非线性： 介绍大变形效应、P-Delta效应等，以及如何在迭代过程中更新刚度矩阵。 材料非线性： 介绍屈服、塑性、损伤等材料非线性行为的模拟，以及增量加载、弧长法等求解策略。 接触非线性： 简要探讨结构部件之间的接触问题及其在程序中的处理思路。 屈曲分析（Buckling Analysis）： 线性屈曲分析： 介绍如何建立特征值问题，求解临界屈曲荷载与屈曲模态。 真实屈曲分析（Nonlinear Buckling）： 结合几何与材料非线性，分析结构的真实屈曲行为。 程序健壮性与用户体验： 错误检测与诊断： 如何在程序中加入各种校验机制，识别和报告输入错误、计算异常等问题。 可视化输出： 介绍如何利用图形库（如Matplotlib, VTK）实现结构模型的可视化、变形云图、应力云图、内力图等后处理输出。 性能优化： 讨论算法选择、数据结构优化、并行计算等提升程序运行效率的策略。 第四部分：实例应用与编程实践（约占全书15%） 本部分通过一系列具体的工程实例，将前几部分介绍的理论与方法付诸实践，加深读者对程序设计过程的理解。 实例一：桁架结构分析程序设计。 从最简单的杆单元开始，构建一个完整的桁架结构分析程序。 实例二：平面框架结构分析程序设计。 引入梁单元，考虑弯曲、剪切、轴力等，实现平面框架的位移法分析。 实例三：有限元基础分析程序。 实现一个简化的二维平面应力单元分析程序，演示FEM的基本流程。 实例四：动力响应分析实例。 以一个多层建筑为例，进行模态分析和响应谱分析。 实例五：实际工程案例分析。 选择一个更复杂的工程结构（如桥梁、高层建筑的部分结构），展示如何运用已开发的程序或框架进行分析。 编程语言与工具： 本书在编写中会大量涉及编程概念，并以一种或多种主流的编程语言（如Python, C++, Fortran）为例进行讲解。同时，也会介绍与结构分析相关的开源库或框架（如NumPy, SciPy, FEBio, OpenSees等）的使用，鼓励读者在此基础上进行二次开发。 目标读者： 土木工程、结构工程、岩土工程等相关专业的本科生和研究生。 从事结构设计、结构分析、结构监测与评估的工程师。 对计算力学、工程仿真软件开发感兴趣的研究人员。 本书特色： 理论性与实践性强： 紧密结合土木工程结构分析的最新理论和实际工程应用。 模块化设计： 倡导良好的编程习惯，易于理解和扩展。 循序渐进： 从基础理论到高级技术，内容由浅入深。 实例丰富： 提供详细的编程示例，帮助读者掌握实际操作。 前沿技术： 涵盖了现代结构分析中的重要技术，如有限元法、动力响应分析、非线性分析等。 《土木工程结构分析程序设计》旨在成为一本结构分析程序开发领域的权威指南，帮助读者不仅理解结构行为，更能掌握驾驭复杂结构的计算工具。

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这本书的章节安排非常精巧，初读目录时，我就被它逻辑严密的结构所吸引。它似乎并没有急于展示那些复杂的计算公式，而是循序渐进地引导读者进入结构分析的思维模式。这对于初学者来说无疑是一个福音，避免了上来就被大量抽象符号“劝退”的窘境。我尤其欣赏它在引入新概念时所采取的类比和图示方法，这种教学设计显示出作者对教学艺术的深刻理解。很多时候，理解一个力学概念比记住一个公式要困难得多，而这本书似乎非常懂得如何“润物细无声”地将那些看似晦涩的知识点变得生动起来，让人在不知不觉中就掌握了核心要义。这种流畅的阅读体验，让学习过程本身变成了一种享受，而不是负担。

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坦白说，我之前接触过几本同类书籍，它们大多停留在传统的分析框架内，对于现代工程中日益复杂的结构形式和荷载情况，往往处理得力不从心。这本书的出现，让我看到了突破现有局限的希望。我注意到其中涉及了一些关于非线性分析和动力响应的章节，这正是当前结构工程研究的前沿方向。如果它能用清晰的语言和恰当的案例来阐述这些高阶内容，那么这本书的价值将远远超越一本基础教材的范畴，更像是一部面向未来工程师的“工具箱”。我对作者能否将这些尖端理论以易于理解的方式呈现出来，抱持着高度的期待，因为这直接决定了它在专业领域内的分量和影响力。

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这本书的封面设计真是让人眼前一亮，那种沉稳的蓝色调搭配着清晰的字体，立刻就给人一种专业、可靠的感觉。我一直对土木工程领域的基础理论抱有浓厚的兴趣，但很多教科书往往过于侧重理论推导，实践应用的部分显得有些单薄。这本书的装帧和整体视觉呈现，传递出一种“干货满满”的信号，让人忍不住想翻开看看里面的内容到底如何组织。我期待它能在理论深度和工程实际之间找到一个绝佳的平衡点，毕竟对于我们这些希望未来能将所学知识付诸实践的人来说，一本既有深度又不失趣味性的教材是多么重要。希望它能像它的封面一样，给人带来一种稳固而充满希望的阅读体验。

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这本书的排版和细节处理，体现出编者极高的专业素养和对读者的尊重。字体选择适中，行距和段落划分都非常合理，长时间阅读下来，眼睛的疲劳感明显减轻。在那些关键的公式推导旁，作者似乎非常细心地加入了“注解”或者“推导思路提示”，这对于我们独立学习者来说简直太重要了。很多时候，我们卡住的不是公式本身，而是中间缺失的那个关键的逻辑跳跃点。这本书通过这些精妙的提示，仿佛有一位经验丰富的导师在一旁随时指点迷津，极大地增强了自学的主动性和效率。这种对阅读体验的极致打磨，是许多学术书籍所忽略的，也是我十分赞赏的地方。

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从整体的阅读感受来看，这本书散发着一种严谨而又务实的学风。它没有过多地渲染某些新技术的“时髦”感，而是脚踏实地地从结构力学最基本的假设和原理出发，构建起整个分析体系。这种“万丈高楼平地起”的构建方式，确保了读者在掌握了这本书的内容后，无论面对何种新型结构或分析软件的底层逻辑，都能迅速抓住其本质。它提供的是一种“方法论”，而不仅仅是针对特定问题的“解法”。我相信，一本真正优秀的工程类书籍，应该赋予读者解决未知问题的能力，而不是仅仅教会他们重复已知的步骤。这本书似乎正朝着这个目标坚定地迈进。

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