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出版者:清华大学出版社

作者:李伟

出品人:

页数:157

译者:

出版时间:2005-5

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787302107712

丛书系列:

图书标签:

• MasterFEM
• 有限元
• 结构分析
• NX
• 教程
• 仿真
• 工程
• 力学
• CAD
• 软件

结构化有限元分析的精深探索：高级应用与性能优化 图书简介 本书旨在为那些已经掌握了有限元方法（FEM）基础理论，并希望深入研究复杂工程问题、优化仿真流程和提升计算效率的工程师、研究人员和高级学生提供一本兼具深度与广度的参考指南。它并非基础入门手册，而是将重点放在了如何驾驭和突破传统有限元软件的边界，专注于高级建模技术、非线性问题的处理、多物理场耦合的实现，以及高性能计算（HPC）环境下的仿真策略。 第一部分：高级单元理论与积分技术 本部分将对有限元方法的理论核心进行一次深入的回溯与拓展，重点关注那些在标准软件库中难以快速掌握或配置的特殊单元类型及积分方案。 高阶单元的几何与形函数构建： 详细解析了二次、三次及更高阶形函数（如拉格朗日、谢德尔（Serendipity）单元）在不同网格结构（四边形、六面体）下的数学构建过程。探讨了在曲面几何体网格划分中，如何精确地描述边界的曲线特征，以及高阶单元在捕捉应力梯度时的优势与数值病态（Stiffness Matrix Conditioning）问题。 奇异点处理与特殊单元： 针对断裂力学和接触问题中常见的应力奇异性，本书引入了增强型单元（Enriched Elements）和XFEM（扩展有限元法）的基本概念。阐述了如何通过在基函数中嵌入裂纹尖端奇异场函数（如Wechsler函数或J-积分项）来避免需要极细网格的局限性，从而实现对裂纹扩展路径的有效追踪。 积分方案的精细化控制： 超越传统的五点高斯积分，本书深入探讨了为特定问题定制积分点的必要性。讨论了减少积分（Reduced Integration）和奇异积分（Singular Quadrature）在解决泊松比接近0.5的不可压缩材料（如橡胶）锁定现象中的应用，并解释了如何平衡计算精度与奇异积分可能引入的剪切锁定风险。 第二部分：复杂材料行为的本构模型实现 本部分完全聚焦于超越线弹性假设的材料建模，这是现代工程仿真中最具挑战性的领域之一。 非线性粘弹性与粘塑性模型： 详尽解析了广义Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型在有限元框架下的时间积分方案（如Crank-Nicolson法或后向欧拉法）。重点阐述了如何将Prony级数形式的松弛函数转化为易于在时间步迭代中求解的本构关系，特别关注在温度场影响下的时间-温度等效原理（Time-Temperature Superposition Principle, TTSP）。 损伤与疲劳模型： 引入了连续介质损伤力学（Continuum Damage Mechanics, CDM）框架。详细推导了各向异性损伤变量（如Sifan-Zhu模型或Kachanov模型）的演化方程，并将其与有限元求解器中的状态变量（State Variables）进行耦合。此外，探讨了基于应力或应变幅值的低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）寿命预测方法，以及如何利用等效应力/应变的概念来简化多轴疲劳分析。 超材料与结构化材料的宏观等效： 针对多孔结构、泡沫材料或复合材料，本书提供了多尺度建模的基本流程。重点讲解了如何通过对代表性体积单元（RVE）进行周期性边界条件下的静态或动态分析，计算出其宏观有效的弹性矩阵（$C_{eff}$），从而在宏观尺度上使用等效材料参数进行快速仿真。 第三部分：非线性求解策略与收敛性控制 线性方程组的求解相对直接，但对于几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，求解器的稳定性和效率至关重要。 牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）方法的深入应用： 详述了全牛顿法、修正牛顿法以及线搜索（Line Search）技术在确保迭代收敛性中的作用。重点分析了在大变形问题中，刚度矩阵奇异化或病态化时，如何通过引入阻尼因子或松弛因子来指导步长选择，防止求解器在非物理区域发散。 接触算法的剖析与优化： 对接触判定算法（如Penalty Method, Augmented Lagrangian Method, Augmented Multiplier Method）的内部机制进行对比分析。特别关注了摩擦模型的实现，包括库仑摩擦模型的引入与在子迭代过程中的一致性处理，以及如何利用拉格朗日乘子法来保证接触力的非穿透和无间隙约束的精确满足。 大时间步积分技术： 在显式时间积分（如中心差分法）不适用，而隐式方法计算成本过高时，本书介绍了几种适用于特定问题的半隐式方法。探讨了如何通过对运动方程进行分解，并对非线性部分采用更保守的近似，从而在保证一定精度的前提下，显著增大稳定时间步长。 第四部分：多物理场耦合与高性能计算 现代工程设计往往涉及热-力、流-固耦合等复杂场景，本书提供了将这些分离场域统一求解的框架。 热-结构耦合的求解序列： 详细区分了单向耦合（One-Way Coupling）和双向/全耦合（Two-Way/Fully Coupled）的建模差异与计算需求。重点在于解释如何构造热载荷（热膨胀）和机械载荷（因温度依赖材料特性引起的内力变化），并在一个统一的迭代框架下进行求解。 流固耦合（FSI）的数值挑战： 介绍了浸入式边界法（Immersed Boundary Method, IBM）和重映射法（Remapping Techniques）在处理流体与变形固体界面时的技术细节。强调了网格更新策略（如ALE算法）在保持界面网格质量和精度方面的关键作用。 并行计算与分布式内存： 本部分面向大规模问题的求解。介绍了有限元矩阵的稀疏存储格式（如CSR/CSC）在高并行环境下的效率考量。深入讲解了域分解方法（Domain Decomposition Methods, DDM），如Schur补方法或基于迭代器的预条件子构造，如何在多核CPU和GPU集群上有效分配计算负载，实现百万自由度级别模型的快速求解。 本书特色 本书摒弃了对软件操作界面的介绍，专注于底层算法的数学原理、数值实现的可行性以及在实际工程中遇到的收敛性陷阱的破解方法。它要求读者具备扎实的数值分析和线性代数基础，适合作为研究生课程的教材或需要突破现有商业软件瓶颈的高级工程师的进阶读物。通过大量的理论推导和案例分析，读者将能够更自信地解读求解器的输出、定制化求解过程，并为开发下一代仿真工具奠定坚实的理论基础。

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这本《NX MasterFEM基础教程》的封面设计得非常朴实，让人一看就知道这是一本技术性的指导手册，没有太多花哨的装饰。书本的纸张质量摸上去还算厚实，印刷清晰，图文排版也显得井井有条，这对于阅读复杂的工程软件教程来说至关重要。我翻阅了前几章，发现作者在软件基础操作的讲解上花费了大量的篇幅，从界面的认知到最基本的几何建模步骤，都讲解得非常细致入微。对于像我这样初次接触MasterFEM模块的新手来说，这种详尽的叙述方式无疑降低了入门的门槛，每一步骤都有配图辅助理解，避免了仅仅依靠文字描述带来的理解偏差。尤其是关于材料属性定义和边界条件设置的部分，作者似乎非常注重基础概念的阐述，没有急于展示复杂的分析案例，而是先把“为什么”和“怎么做”讲透彻，这体现了编写者在教学方法上的深思熟虑。总的来说，从装帧到内容组织，这本书给我的初步印象是：一本扎实、注重细节、适合零基础用户的入门级参考书。我期待它接下来的内容能继续保持这种严谨的风格，尤其是在后续有限元理论和网格划分技巧上的讲解，希望不会过于理论化而让人望而却步。

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从一个资深CAE工程师的角度来看，这本书的优势在于其对“基础”概念的夯实程度，这一点值得称赞。它没有过度吹嘘NX MasterFEM的任何“黑科技”功能，而是脚踏实地地把有限元分析中最核心的力学基础知识，与软件的具体操作步骤紧密结合起来。例如，在讲解应力奇异性问题时，作者没有简单地告诉读者“局部加密网格”，而是深入分析了应力奇异性产生的原因（几何突变或载荷集中），并提供了如何通过引入倒圆角或采用更高级的单元类型来规避这种数值问题的专业见解。这种层次感让有一定基础的学习者也能从中获得启发，不至于觉得内容过于浅显。然而，这本书在软件版本兼容性方面似乎没有明确说明。考虑到CAE软件的迭代速度，如果能在前言或附录中注明本书适用的NX版本范围，并对不同版本间可能出现的界面或功能差异做简要说明，将会极大地增强其作为工具书的生命力，避免读者在较新或较旧版本上操作时产生困惑。

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读完这本书的第三部分，我不得不说，作者在处理复杂分析流程的逻辑梳理上展现了高超的功力。许多市面上的仿真书籍往往在讲解完基本操作后，便直接跳跃到高级应用，导致读者在实际操作中遇到问题时，找不到前后逻辑的衔接点。然而，这本书的结构设计得非常合理，它没有局限于单一功能的罗列，而是将一个完整的结构分析流程，比如从CAD导入、装配、接触定义到求解器的选择和结果后处理，串联成一条清晰的主线。特别让我印象深刻的是关于“求解器选择”那一节的对比分析，作者详细列举了不同求解器（如隐式、显式）在处理不同工况下的优缺点和适用范围，这种基于实际工程需求的对比，远比教科书式的定义来得生动和实用。尽管这本书的篇幅不薄，但阅读起来并不感到枯燥，这归功于作者穿插在讲解过程中的“陷阱提示”和“常见错误排查”，这些经验之谈像是老工程师在旁边耳提面命，有效避免了初学者在实际操作中走弯路。希望后续的章节能在动态分析和非线性问题的处理上，也保持这种高度的实战指导性，而不是仅仅停留在理论的描述层面。

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这本书的整体行文风格偏向于严谨的学术指导，语言精确，没有过多的个人色彩或情感表达，这对于需要精确指令的学习者来说是优点。它更像是一份官方的、经过深度验证的操作指南。当我尝试按照书中的步骤去复现一个梁的弯曲实验时，发现其对载荷施加点和约束条件的描述精确到小数点后几位，这种对细节的追求确保了分析结果的可重复性。我特别欣赏的是，作者在每一章末尾设置的“自检清单”，这些清单简洁明了地概括了本章学习的重点和易错环节，非常适合在完成一个分析任务后进行快速回顾和核对。唯一让我感觉略有遗憾的是，对于MasterFEM中一些相对较新或不常用的高级后处理功能，比如疲劳寿命评估或多物理场耦合分析的初步介绍，似乎着墨不多。虽然这符合“基础教程”的定位，但如果能用一到两节的内容，以“展望未来”或“进阶方向”的形式，简要介绍一下这些模块的入口和基本概念，将更有利于读者在掌握基础后，对后续的学习路径有一个宏观的认知和规划。

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这本书的排版和图例质量，坦白讲，在同类技术书籍中算是中上水平，但如果要达到“顶级”的标准，我认为还有提升空间。某些复杂的网格划分示意图，如果能采用更高分辨率的截图，或者增加一些三维透视图的辅助说明，对于理解网格质量评估和局部网格细化的操作会更加直观。我注意到，在讲解到接触类型定义时，文字描述略显冗长，如果能用流程图或决策树的形式来指导读者如何根据实际物理接触面选择最合适的接触算法（例如，是选择“无穿透”还是“粘附”），阅读效率会大大提高。此外，虽然书中有案例演示，但这些案例的“背景故事”相对单薄，如果能结合一到两个真实的工业部件设计挑战，让读者明白为什么要选择这种特定的分析模型，那么知识点的吸收和记忆深度将会得到质的飞跃。技术书籍的价值在于解决实际问题，而不仅仅是教会操作，期待后续内容能更注重工程背景的营造，让学习过程更有代入感。

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