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出版者:第1版 (2006年9月1日)

作者:张方瑞

出品人:

页数:362

译者:

出版时间:2006-9

价格:39.00元

装帧:平装

isbn号码:9787121031151

丛书系列:

图书标签:

• ANSYS
• 有限元
• 结构力学
• 热传导
• 流体动力学
• 电磁场
• 仿真
• 教程
• 工程分析
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深入浅出，掌握现代结构仿真技术的基石——《有限元分析原理与工程实践》 （本书旨在构建坚实的理论基础，并提供跨越多个工程领域的实际应用指导，内容涵盖经典材料力学、高级有限元理论、非线性问题处理、以及多物理场耦合仿真的新兴技术。） --- 第一章：连续介质力学与基本场方程的建立 本章旨在为有限元分析奠定坚实的数学与物理基础。我们将从宏观到微观，系统梳理描述物质变形与运动的力学原理。 1.1 欧拉与拉格朗日描述的转换：场变量的选取与意义 详细探讨在分析过程中，选择描述质点运动的欧拉观点（关注空间点）与拉格朗日观点（关注特定质点）的差异及其在数值方法中的实际意义。重点分析位移场、应变场、速度场的定义与转换关系，尤其在处理大变形问题时的重要性。 1.2 本构关系：从线性弹性到复杂材料模型 深入剖析线弹性本构关系（胡克定律）的张量形式表达，并扩展至更具挑战性的材料行为： 粘弹性与粘塑性： 引入时间依赖性，讨论蠕变与松弛现象，以及如何使用广义Maxwell模型或Prony级数来描述高分子材料和沥青等时间敏感材料的响应。 塑性理论基础： 详细阐述屈服准则（Tresca, Von Mises）的几何意义和数学形式，引入流动法则与硬化规律（等向、随动、混合硬化），为后续的非线性分析做好铺垫。 超弹性与几何非线性： 针对橡胶、泡沫等大变形材料，引入应变能密度函数（如Mooney-Rivlin, Neo-Hookean模型）的构建与应用。 1.3 守恒定律的微分形式：能量与平衡方程 基于最小势能原理（或虚功原理），推导静力学、动力学以及热传导问题的偏微分控制方程。本节重点讲解： 应力与应变的关系： 柯西应力张量与线应变张量的定义，及其与位移场的梯度关系。 边界条件与体力项： 明确区分位移边界条件（Dirichlet条件）和力边界条件（Neumann条件）在控制方程中的体现，并讨论体积力（如重力）的处理。 --- 第二章：有限元方法的理论核心与离散化技术 本章是全书的理论核心，专注于如何将连续问题转化为可计算的代数方程组。 2.1 伽辽金法与试函数（插值函数）的选择 系统介绍伽辽金方法的数学基础，即通过选择合适的试函数使残量场与形函数空间正交。详细分析形函数的性质： 形函数的完备性与约束： 探讨如何保证插值函数的连续性（C0, C1连续性）对求解精度的影响，特别是梁单元和壳单元中的“剪切锁定”现象及其规避策略。 单元刚度矩阵的构建： 详述通过数值积分（如高斯积分）来计算单元刚度矩阵 $mathbf{K}_e$ 和载荷向量 $mathbf{f}_e$ 的过程，并讨论积分点的选择对数值稳定性的影响。 2.2 网格划分技术与误差估计 有限元分析的成败往往取决于网格质量。 网格畸变与质量度量： 讨论网格形状对单元刚度的影响，介绍雅可比行列式、内角、纵横比等网格质量指标。 网格自适应（h-refinement与p-refinement）： 深入讲解基于能量密度的后处理误差估计方法（如Zienkiewicz-Zhu, ZZ误差估计），以及如何利用这些信息自动细化或加密网格以达到预定精度。 2.3 自由度处理与约束方程的施加 方程组的组装与求解： 讲解全局刚度矩阵 $mathbf{K}$ 的组装流程，并对大型稀疏线性方程组的求解方法进行比较（如Cholesky分解、迭代法如共轭梯度法）。 约束与耦合： 详细介绍如何施加不等式约束（如接触）和等式约束（如刚性连接、主从节点定义），以及使用拉格朗日乘子法或罚函数法进行耦合处理的优缺点。 --- 第三章：非线性分析的求解策略与稳定性控制 本章重点解决材料、几何或接触带来的非线性问题，这是现代仿真工程中的核心挑战。 3.1 牛顿法及其修正方法族 深度剖析求解非线性方程组 $mathbf{R}(mathbf{u}) = mathbf{0}$ 的迭代策略： 标准牛顿法与割线法的对比： 分析收敛速度和计算成本。 准牛顿法（BFGS/Broyden）： 讨论如何通过近似更新切线刚度矩阵来降低每一步的计算负担，适用于迭代次数较多的情况。 3.2 路径依赖性与载荷增量步的控制 弧长法（Arc-Length Methods）： 详细阐述Riks法、Profess-Sorensen法等，这些方法能够有效追踪结构在临界点（如屈曲点）的平衡路径，避免因载荷步过大导致的求解失败。 承载力丧失与后屈曲分析： 讨论结构失稳点（Bifurcation）的识别，以及如何通过引入微小扰动进行真值后屈曲分析。 3.3 接触非线性：摩擦与磨损模型 罚函数法与增广拉格朗日法： 比较这两种处理接触边界条件的方法在保证接触力的准确性和迭代收敛性上的差异。 摩擦模型的实现： 深入探讨库仑摩擦模型的数值实现，以及在高精度接触仿真中对接触算法（如Penalty、Augmented Lagrange）的特定要求。 --- 第四章：高级动态学与瞬态响应分析 本章聚焦于涉及时间效应和惯性力的分析问题。 4.1 瞬态动力学：显式与隐式积分方案 隐式积分（Newmark, Wilson $ heta$ 方法）： 分析其在求解平稳或低频振动中的优势，以及如何通过设置阻尼因子来控制瞬态响应的精度。 显式积分（Central Difference Method）： 讲解其无条件稳定性特性，以及在高速冲击、爆炸等短时、高频非线性问题中的不可替代性。讨论时间步长的选择准则（CFL条件）。 4.2 模态分析与特征值问题 线弹性模态提取： 详细讲解求解广义特征值问题 $mathbf{(K} - omega^2 mathbf{M})mathbf{phi} = mathbf{0}$ 的算法（如子空间迭代法、Lanczos法），以及如何根据物理背景选择合适的求解器。 暂态响应与模态叠加法： 阐述如何利用已求得的模态信息加速瞬态问题的求解，并分析模态截断误差的评估方法。 4.3 阻尼理论与随机振动分析 阻尼模型的构建： 讨论经典阻尼（Rayleigh阻尼、结构阻尼）与材料本构关系中固有的阻尼效应的区分与结合。 随机载荷响应： 引入功率谱密度（PSD）概念，介绍随机振动理论在风荷载、地震动等不确定性载荷下的应用框架。 --- 第五章：热-结构耦合与多场问题的数值实现 本章拓展到更复杂的工程场景，讨论不同物理场之间的相互作用。 5.1 瞬态热传导问题的数值解 热传导控制方程的离散化： 讲解如何将热平衡方程与伽辽金方法结合，建立系统的热传导矩阵。 热边界条件： 详细说明对流换热、辐射换热和指定温度边界的数值实现。 5.2 瞬态热-结构耦合（One-Way & Two-Way Coupling） 单向耦合（Thermal-to-Mechanical）： 结构应力由温度场均匀性或梯度引起，重点分析热应力的产生机制。 双向耦合（Thermo-Mechanical-Fluid）： 针对材料的热膨胀系数（CTE）随温度变化的复杂情况，讨论在隐式求解框架下如何同步迭代热场和位移场，以确保耦合界面的一致性。 5.3 疲劳寿命预测与损伤本构 基于应力-应变法的疲劳评估： 介绍S-N曲线法与E-N曲线法在低周疲劳和高周疲劳中的应用。 损伤演化模型： 探讨引入内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）对模拟裂纹萌生与扩展过程的数值优势，以及如何根据实验数据校准CZM参数。 --- 附录：编程实践与计算效率优化 本附录提供理论向实践转化的指导性内容，不涉及特定商业软件的操作细节，而是专注于底层算法的效率提升。 稀疏矩阵存储格式： 比较CSR、COO等格式在装配和求解过程中的内存占用与访问速度。 并行计算基础： 探讨如何利用多核架构对刚度矩阵的组装和大规模线性方程组的迭代求解进行分区（Domain Decomposition）加速。 后处理数据的高效可视化： 讨论如何利用等值面、切片和矢量图等多种手段，准确地从海量计算结果中提取关键工程信息。 --- 本书特色： 本书强调理论的严谨性与工程应用的结合，通过对每一步数值方法的深入剖析，帮助读者理解“黑箱”内部的物理和数学机制，为设计、分析及二次开发提供坚实的知识体系。内容深度远超入门级指南，旨在培养具备独立构建与优化复杂仿真模型能力的工程师和研究人员。

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这本书在提升我的工程思维能力方面也起到了非常重要的作用。ANSYS 8.0不仅仅是一个强大的工程仿真工具，更是一种解决工程问题的思维方式。这本书通过大量的实例和深入的讲解，不仅教会了我如何使用软件，更重要的是，它培养了我一种严谨的工程分析态度和科学的思维方法。在分析仿真结果时，我学会了如何从多个角度去审视数据，如何辨别可能存在的误差，如何根据物理原理来验证仿真结果的合理性。例如，在进行结构分析时，书中强调了加载方式、边界条件对结果的影响，以及如何通过网格收敛性研究来提高结果的可靠性。在流体分析时，书中则指出了湍流模型选择、网格密度对仿真精度的影响。这种对细节的关注和对过程的严谨，让我能够更深刻地理解工程仿真的本质。我感觉通过这本书的学习，我不再仅仅是一个软件操作员，而更像是一个具备独立思考能力的工程师。它让我明白，工程仿真不是“黑箱操作”，而是需要结合扎实的理论知识、丰富的工程经验以及严谨的逻辑思维才能发挥出其最大的价值。这本书为我提供了宝贵的知识和方法，让我能够在工程实践中做出更明智的决策。

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这本书的语言风格和表达方式也极具个人特色，非常吸引人。作者的文笔流畅自然，用词精准，避免了许多专业书籍中常见的枯燥和晦涩。在讲解复杂概念时，作者善于运用形象的比喻和生动的类比，将抽象的原理变得通俗易懂。例如，在解释网格收敛性时，作者将其比作“拉伸橡皮筋”，越拉伸越精细，最终会达到一个稳定的状态，形象地说明了网格细化的过程和意义。而且，作者在叙述过程中，常常流露出对工程模拟的热情和对技术创新的追求，这种积极的态度很容易感染读者，激发学习的动力。我感觉作者并不是在机械地传递信息，而是在与读者进行一次有温度的交流。在一些关键节点的讲解，比如结果分析和误差评估时，作者还会穿插一些自己的工程经验和思考，这使得内容更加生动和有启发性。读这本书，就像是在和一位经验丰富的工程师进行面对面的交流，他不仅会告诉你“是什么”，更会告诉你“为什么”以及“如何做得更好”。书中还会时不时地出现一些幽默的表达，让我在紧张的学习过程中也能感受到轻松和愉悦，这对于提高学习效率非常有帮助。

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这本书的印刷质量真是让我惊喜，厚实的纸张，清晰的排版，每一个插图都色彩饱满，细节到位。翻开第一页，就能感受到它是一本用心制作的图书，而不是那种粗制滥造的快餐读物。封面设计也颇具匠心，简洁却不失专业感，淡淡的蓝色调让人在炎炎夏日里感受到一丝清凉，同时也暗示了书中内容可能会涉及到的科学计算和工程模拟领域。我特别喜欢它的装订方式，牢固耐用，即使我经常带着它在工地和办公室之间奔波，它也能保持完好无损，书页也没有松动或者脱落的迹象。书本的尺寸也恰到好处，既不会太厚重难以携带，又足够容纳下丰富的知识内容。打开书页时散发出的淡淡油墨香，更是勾起了我作为一名技术爱好者的浓厚兴趣。我之前也看过不少相关的技术书籍，但在这本书的触感和视觉呈现上，我确实感受到了明显的差异，仿佛它是一件艺术品，而不仅仅是一本工具书。每一个章节的划分都非常清晰，内容过渡自然，让我能够顺畅地阅读，不会感到突兀。在细节处理上，比如目录的编排、索引的设置，也都体现了编辑的专业性和细致。甚至连页眉页脚的设计，也都考虑到了阅读的便捷性，不会分散我的注意力。这本书带给我的不仅仅是知识，更是一种良好的阅读体验，让我在学习的过程中也能享受到一种宁静和愉悦。

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这本书在理论知识的讲解上也同样出色，它并没有一味地追求软件操作的演示，而是为读者提供了扎实的理论基础。在介绍每个仿真模块之前，作者都会先对相关的工程物理原理进行简要回顾和阐述，确保读者能够理解这些原理是如何被ANSYS软件所实现的。例如，在讲解有限元分析（FEA）时，书中不仅介绍了单元的概念、形函数、刚度矩阵的建立等核心内容，还用通俗易懂的语言解释了离散化、插值等过程，避免了过于晦涩的数学推导，让我能够快速掌握其精髓。同样，在流体动力学部分，书中也对Navier-Stokes方程、边界层理论以及各种湍流模型进行了清晰的介绍，并解释了它们在ANSYS软件中的具体实现方式。这种理论与实践相结合的讲解模式，让我能够更深刻地理解软件的功能，并能更准确地判断仿真结果的有效性。我曾经在阅读其他技术书籍时，常常会遇到理论和软件操作脱节的情况，要么是理论讲得很深奥，但与软件联系不紧密；要么是软件操作讲解得很详细，但缺乏必要的理论支持。而这本书却完美地解决了这个问题，它就像一座桥梁，将抽象的理论知识和具体的软件操作紧密地连接起来，让我能够形成一个完整的知识体系。

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这本书的深度和广度都给我留下了深刻的印象。在深度方面，它对ANSYS 8.0的各项功能进行了非常详尽的介绍，对于每一个重要的参数和设置，都给出了清晰的解释和应用场景。例如，在进行模态分析时，书中不仅演示了如何进行自由模态分析和约束模态分析，还深入讲解了如何选择合适的分析类型，如何设置阻尼比，以及如何解释模态振型和频率。这让我能够深入理解模态分析的原理和应用。在广度方面，这本书涵盖了ANSYS 8.0在结构、流体、热、电磁等多个领域的应用，为我提供了一个全面的技术视野。我原本只专注于某个特定的工程领域，但通过阅读这本书，我了解到ANSYS 8.0在其他领域也有广泛的应用，这拓展了我的知识边界，激发了我学习新知识的兴趣。尤其是在多物理场耦合分析部分，书中提供了几个非常精彩的案例，展示了如何将不同的物理场进行关联和耦合，来解决更复杂的工程问题，这让我对工程仿真的能力有了全新的认识。这本书的内容安排，既有深度，又有广度，能够满足不同层次读者的需求，无论是初学者还是有一定基础的工程师，都能从中获益。

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书中提供的实例教程，其详实程度和实用性简直超出了我的预期。每一章的实例都不仅仅是简单地展示软件界面的截图和操作流程，而是包含了完整的建模过程、网格划分、载荷施加、求解器设置以及结果后处理的详细步骤。更难得的是，作者会在每个步骤之后，对相关的参数设置进行深入的解释，说明为什么选择这个参数，以及它会对仿真结果产生什么样的影响。这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，让我受益匪浅。比如，在进行结构力学分析时，书中不仅演示了如何建立模型，还详细介绍了不同类型材料的弹性和塑性行为，以及如何根据实际情况选择合适的单元类型和网格密度，并提供了优化网格划分的技巧。当我遇到一些复杂几何模型的网格划分问题时，书中提供的解决方案简直是雪中送炭。在流体动力学分析部分，书中对边界条件的设置，湍流模型的选择，以及如何有效地收敛仿真结果，都做了非常细致的阐述。我曾经花费了大量时间去摸索这些内容，而这本书却能以一种清晰易懂的方式呈现在我面前，让我少走了很多弯路。更让我惊喜的是，书中还穿插了一些“高级技巧”和“常见问题解答”，这些内容往往是在其他教材中难以找到的，却对实际应用至关重要。通过这些实例，我不仅学会了如何使用ANSYS 8.0来解决具体问题，更重要的是，我培养了一种解决工程问题的思维方式和方法论，这比单纯掌握软件操作本身更有价值。

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这本书的案例分析质量极高，让我能够真正理解ANSYS 8.0在实际工程中的应用。书中的每个案例都紧密结合了实际工程问题，从问题的提出、模型的建立、仿真的实施到结果的分析，都进行了详细的阐述。例如，在进行汽车零部件的碰撞仿真时，书中不仅展示了如何建立复杂的碰撞模型，如何设置碰撞参数，还详细讲解了如何分析变形、应力分布以及能量吸收情况，并给出了如何优化设计以提高碰撞安全性的建议。在进行航空发动机叶片的流固热耦合仿真时，书中更是展示了如何将流体动力学、结构力学和热传导分析相结合，来评估叶片在高温高压下的性能和寿命。更让我赞赏的是，书中在对仿真结果进行分析时，并不仅仅停留在图表展示层面，而是深入挖掘了结果背后的物理意义，并结合工程实际，给出了合理的解释和改进建议。这让我明白，工程仿真的最终目的是为了解决实际问题，而不仅仅是得到一堆数据。通过这些案例，我不仅学会了如何使用ANSYS 8.0来解决具体问题，更重要的是，我学习到了如何将仿真技术应用于工程设计和优化中，这对我目前的职业发展非常有帮助。

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这本书的结构安排是我最为赞赏的一点，它遵循了从浅入深、循序渐进的学习逻辑，这对于初学者来说至关重要。首先，它会从最基础的概念入手，详细解释ANSYS 8.0的核心功能和基本操作，就像一位经验丰富的老教师，耐心地引导你一步步认识这个强大的软件。然后，它会逐步引入更复杂的概念和技巧，并通过大量的实例教程进行演示，让你在实践中学习，在应用中巩固。每一个实例都经过精心设计，涵盖了工程模拟的常见场景和难点，让我能够直接上手，亲身体验软件的强大之处。更重要的是，作者在讲解过程中，并没有简单地罗列命令和操作步骤，而是深入剖析了每一个操作背后的原理和逻辑，让我不仅学会了“怎么做”，更理解了“为什么这样做”。这种深度讲解，让我能够举一反三，触类旁通，将学到的知识灵活地运用到其他问题中。书中的案例选择也十分贴合实际工程需求，涉及到的领域非常广泛，从结构力学到流体动力学，从热分析到电磁场仿真，几乎涵盖了所有工程技术人员可能遇到的问题。即使我对某些领域不太熟悉，也能通过书中的案例，快速了解其基本原理和应用方法。而且，书中的实例不仅展示了如何使用软件，更重要的是，它强调了如何分析和解释仿真结果，这才是真正体现工程能力的环节，这本书在这方面做得非常出色。

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这本书的易用性和可操作性是我非常看重的一点，而且它在这方面做得非常出色。作者在编写时，充分考虑到了读者可能遇到的各种情况，并为读者提供了很多实用的建议和技巧。比如，在介绍模型导入和几何清理时，书中就提供了多种方法，并详细说明了各种方法的优缺点，以及适用于不同情况的选择。在网格划分部分，除了提供详细的操作步骤，还分享了一些提高网格质量的经验，比如如何处理小特征、如何优化边界层网格等。这些细节虽然看似微小，但在实际操作中却能极大地提高效率和仿真精度。书中还会经常提醒读者注意一些容易出错的地方，并提供相应的解决方案，这使得我在学习过程中能够避免很多不必要的麻烦。我之前也尝试过一些其他的仿真软件，但往往因为操作过于复杂或者缺乏清晰的指导而半途而废。而这本书却让我感受到了一种“跟着书学，准没错”的信心，每一个步骤都清晰明了，每一个操作都有明确的指引。甚至在一些命令流的编写方面，书中也给出了详细的示例和解释，这对于我进一步掌握ANSYS的自动化操作非常有帮助。

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这本书的可读性和参考价值都非常高，它能够帮助我解决在实际工作中遇到的各种问题。我常常会在工作中遇到一些ANSYS 8.0的操作难题，或者需要查找某个特定功能的用法，这时这本书就成了我的得力助手。它结构清晰，索引明确，我能够快速地找到我需要的信息。而且，书中对每一个功能和概念的解释都非常到位，无论是作为一本学习教材，还是作为一本参考手册，它都能胜任。我曾经遇到过一些棘手的仿真问题，比如复杂的边界条件设置，或者是不收敛的求解器，通过查阅这本书，我总能找到解决问题的思路和方法。它就像一位经验丰富的导师，在我遇到困难时给予我指导和帮助。更重要的是，这本书的内容并没有过时，它所讲解的核心概念和操作方法，在后续的ANSYS版本中依然具有重要的参考价值。即使我将来需要学习更新的ANSYS版本，这本书所打下的坚实基础，也将为我提供极大的便利。我还会时不时地翻阅这本书，从中学习新的技巧和方法，不断提升自己的工程仿真能力。

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