第1章 绪论 1
1.1 有限元数值计算方法及其工程应用 1
1.2 计算机仿真技术的意义与趋势 3
1.3 现代计算机协同仿真技术与发展 5
1.4 土木工程数值计算与仿真分析软件简介 6
第2章 有限元数值计算和仿真技术的理论与方法 9
2.1 弹性力学的基本理论与基本方程 9
2.1.1 弹性力学中的基本概念 9
2.1.2 弹性力学中的基本假定 10
2.1.3 弹性力学的两种平面问题 11
2.1.4 平面问题的基本方程与边界条件 12
2.1.5 圣维南原理与叠加原理 14
2.2 有限元数值分析的基本理论与方法 14
2.2.1 有限单元离散 15
2.2.2 位移模式与形函数 16
2.2.3 虚位移原理与虚功方程 19
2.2.4 单元刚度矩阵与整体刚度矩阵 20
2.2.5 计算荷载的种类与数值处理 22
2.3 多媒体技术与实现仿真的基本方法 23
2.3.1 多媒体技术简介 23
2.3.2 多媒体协同设计环境 24
2.3.3 工程研究的多媒体仿真分析 24
2.4 线性与非线性有限元数值求解方法 24
2.4.1 线性代数方程组的求解 25
2.4.2 工程中的非线性问题及特点 27
2.4.3 非线性方程组的求解 27
2.5 结构局部与整体稳定问题的数值分析 31
2.5.1 结构屈曲基本原理及分类 31
2.5.2 结构稳定问题计算方法 31
2.5.3 有限元求解结构屈曲的基本方法 32
2.5.4 应用ANSYS求解结构屈曲的实现 33
2.5.5 非线性屈曲分析的具体注意事项 36
2.6 岩土工程问题稳定性数值分析方法 37
2.6.1 瑞典圆弧法计算原理 38
2.6.2 毕肖普法计算原理 40
2.6.3 简布的普遍条分法计算原理 41
2.7 动力学问题的基本方程与求解方法 42
2.7.1 动力响应及荷载类型 42
2.7.2 振动问题与波动问题 43
2.7.3 动力响应基本方程与波动问题的求解 43
2.8 渗流与地震反应问题的数值求解方法 45
2.8.1 渗流问题的数值求解方法 45
2.8.2 地震反应分析的数值求解方法 47
2.9 有限元并行计算技术及应用前景 50
2.9.1 单元分析的并行计算 51
2.9.2 总体刚度矩阵的并行装配 52
2.9.3 约束条件的并行处理 52
2.10 参数化设计方法与用户可编程特性 53
2.10.1 参数化设计语言APDL 53
2.10.2 参数化设计宏文件 54
2.10.3 ANSYS的用户可编程特性 55
第3章 有限元数值计算与仿真分析的前处理方法 57
3.1 土木工程的力学模型与有限元网格 57
3.1.1 杆件系统 57
3.1.2 平面应力与平面应变问题 58
3.1.3 轴对称问题的简化处理 58
3.1.4 半空间与全空间问题 58
3.2 力学模型与仿真模型图形数字化 58
3.2.1 数字化产品建模 58
3.2.2 二维建模 60
3.2.3 三维建模 62
3.3 有限单元法的单元类型及特点 64
3.3.1 有限元法的单元类型 65
3.3.2 一维单元 66
3.3.3 二维单元 67
3.3.4 三维单元 68
3.4 无限单元、节理单元与离散元 69
3.4.1 无限单元 69
3.4.2 节理单元 70
3.4.3 离散元 73
3.5 有限元网格生成的基本方法 74
3.5.1 结构化网格与自动生成方法 74
3.5.2 非结构化网格与自动生成方法 83
3.5.3 半结构化网格与自动生成 89
3.6 自适应网格特点与无网格技术 91
3.6.1 自适应网格的特点 91
3.6.2 无网格技术 93
3.7 ANSYS软件前处理应用实例 94
3.7.1 问题的描述 94
3.7.2 创建几何模型 94
3.7.3 设置单元属性 95
3.7.4 分网控制和分网 97
第4章 有限元数值计算误差估计与自适应分析方法 99
4.1 有限元数值计算的误差来源与估算方法 99
4.1.1 有限元数值计算的主要误差来源 99
4.1.2 有限元计算的后误差估计方法 99
4.2 有限元计算的网格修正自适应分析方法 101
4.2.1 新网格单元节点几何参数的修正计算 102
4.2.2 动力学计算中的自适应分析方法 103
4.3 有限元自适应分析的数值计算实例 108
第5章 有限元数值计算与仿真分析的后处理方法 112
5.1 有限元计算与仿真的可视化技术 112
5.1.1 可视化技术的基本概念 112
5.1.2 可视化技术的处理方式 113
5.1.3 有限元计算结果的后处理方法 114
5.1.4 实时跟踪方法 116
5.2 计算机仿真的图形技术与动画 116
5.2.1 计算机仿真的图形技术 117
5.2.2 计算机仿真动画技术 119
5.3 有限元后处理系统的数据管理 121
5.3.1 有限元后处理系统数据管理的特点 121
5.3.2 有限元结构模型数据的管理 122
5.3.3 计算结果数据的管理 123
5.4 有限元计算中的优化设计方法 124
5.4.1 最优化基本理论 124
5.4.2 优化设计技术 125
5.4.3 拓扑优化技术 126
5.5 有限元计算后处理应用实例 127
5.5.1 ANSYS软件的通用后处理 127
5.5.2 ANSYS软件的时间历程后处理 131
第6章 土木工程数值计算与仿真技术应用实例 133
6.1 大型钢桥架结构强度与稳定性分析 133
6.1.1 工程背景 133
6.1.2 分析步骤 133
6.1.3 大型钢桥架的静力分析 134
6.1.4 起重机桥架的屈曲稳定分析 150
6.1.5 典型命令说明 154
6.1.6 小结 156
6.2 铝内胆-碳纤维复合气瓶强度分析 156
6.2.1 工程背景 156
6.2.2 分析步骤 157
6.2.3 复合气瓶强度分析 158
6.2.4 典型命令说明 167
6.2.5 小结 167
6.3 钢筋混凝土组合结构的受力分析 167
6.3.1 工程背景 167
6.3.2 分析步骤 168
6.3.3 钢筋混凝土组合结果的受力分析 168
6.3.4 典型命令说明 173
6.3.5 相关工程实例 173
6.3.6 小结 173
6.4 大型岩土边坡稳定性数值分析 173
6.4.1 工程背景 173
6.4.2 分析步骤 174
6.4.3 岩土边坡稳定性数值分析 174
6.4.4 小结 176
6.5 尾矿库渗流稳定与液化分析 176
6.5.1 工程背景 176
6.5.2 分析步骤 176
6.5.3 尾矿库的渗流分析 177
6.5.4 尾矿库的稳定分析 178
6.5.5 尾矿库的液化分析 179
6.5.6 小结 180
6.6 大型筏板基础沉降与受力分析 181
6.6.1 工程背景 181
6.6.2 分析步骤 181
6.6.3 大型筏板基础的沉降与受力分析 182
6.6.4 典型命令说明 186
6.6.5 小结 188
6.7 预制钢筋混凝土螺旋桩受力分析 188
6.7.1 工程背景 188
6.7.2 分析步骤 188
6.7.3 预制钢筋混凝土螺旋桩受力分析 189
6.7.4 典型命令说明 192
6.7.5 小结 192
6.8 结构受冲击荷载数值分析 192
6.8.1 工程背景 192
6.8.2 分析步骤 193
6.8.3 结构受冲击荷载分析 193
6.8.4 相关工程实例 203
6.8.5 小结 204
6.9 火灾后预应力空心板的承载能力数值分析 205
6.9.1 工程背景 205
6.9.2 预应力空心板有限元分析 205
6.9.3 小结 208
6.10 沥青混凝土路面车辙的弹性有限元分析 208
6.10.1 工程概况 208
6.10.2 分析步骤 208
6.10.3 沥青混凝土路面车辙的弹性有限元分析 209
6.10.4 小结 210
6.11 大型钢结构静动力分析和优化设计 211
6.11.1 工程概况 211
6.11.2 分析步骤 211
6.11.3 钢结构有限元模型建立 211
6.11.4 钢结构静力分析 212
6.11.5 钢结构动力分析 213
6.11.6 钢结构的优化设计 213
6.11.7 小结 214
主要参考文献 216