第1篇 基础理论篇 3
第1章 有限元概述 3
1.1 有限元理论 3
1.2 有限元软件 5
1.3 参考文献 6
第2章 有限元网格划分 8
2.1 网格划分概述 8
2.2 三角形网格划分 10
2.2.1 背景网格法 10
2.2.2 四叉树法 10
2.2.3 Delaunay法 11
2.2.4 移动边界法 11
2.3 四边形网格划分 12
2.3.1 映射网格划分 12
2.3.2 几何拆分法 13
2.3.3 铺砌法 14
2.3.4 间接法四边形网格 14
2.4 空间曲面网格划分 16
2.4.1 参数空间法 16
2.4.2 直接三维法 18
2.5 网格划分后处理 18
2.5.1 网格结点抹平 18
2.5.2 网格拓扑优化 19
2.5.3 网格局部加密 19
2.6 域内约束网格划分 19
2.7 建筑结构网格自动划分 21
2.8 参考文献 22
第3章 有限元单元 25
3.1 有限元单元概述 25
3.1.1 梁单元概述 25
3.1.2 平面单元概述 26
3.1.3 平板弯曲单元概述 28
3.1.4 三维实体单元 28
3.2 有限元单元中的几个问题 29
3.2.1 协调性与收敛性 29
3.2.2 单元畸变问题 31
3.2.3 闭锁现象 33
3.2.4 沙漏的控制 35
3.3 广义协调系列单元 36
3.3.1 广义协调简介 36
3.3.2 自然坐标简介 38
3.3.3 平面单元 42
3.3.4 厚薄板通用单元 44
3.4 参考文献 46
第4章 有限元刚度集成和方程求解 48
4.1 大型有限元总刚集成 48
4.1.1 非零元压缩存储的基本格式 48
4.1.2 用于压缩存储的数据结构 49
4.1.3 对应压缩存储的刚度集成 50
4.2 大型线性代数方程求解 51
4.2.1 直接法的基本理论简介 51
4.2.2 基于直接法的求解器简介及应用 54
4.3 大型特征值求解 57
4.3.1 特征值求解的理论简介 58
4.3.2 子空间迭代法的程序实现 59
4.4 非线性方程求解 61
4.4.1 非线性算法简介 62
4.4.2 静力非线性求解的有限元实现 63
4.4.3 动力非线性求解的有限元实现 63
4.5 参考文献 65
第5章 几何非线性 68
5.1 几何非线性的一般性描述 68
5.2 梁杆结构的几何非线性 69
5.2.1 梁结构几何非线性简介 69
5.2.2 一种基于同步转动理论的梁单元 71
5.3 几何非线性的关键之大转动 73
5.3.1 定点转动（Euler转角） 73
5.3.2 定轴转动（Rodrigues转角） 74
5.3.3 梁单元的大转动矩阵 75
5.4 几何非线性的关键之刚体试验 78
5.5 参考文献 79
第6章 弹塑性 81
6.1 弹塑性全量本构理论 81
6.2 弹塑性增量本构理论 82
6.2.1 屈服条件 82
6.2.2 流动法则 84
6.2.3 硬化法则 85
6.2.4 增量弹塑性本构的建立 87
6.3 增量弹塑性分析的关键—应力积分 88
6.3.1 增量弹塑性分析的一般性步骤 88
6.3.2 应力积分简介 89
6.3.3 Nayak显式应力积分 90
6.3.4 GPM隐式应力积分 91
6.4 混凝土本构模型 92
6.4.1 混凝土破坏准则 93
6.4.2 约束效应对混凝土的影响 94
6.4.3 混凝土单轴约束本构 95
6.5 参考文献 96
第7章 隐式与显式动力学 99
7.1 隐式和显式概述 99
7.2 隐式算法 100
7.2.1 Newmark差分格式 101
7.2.2 隐式积分流程 103
7.2.3 隐式积分的时间步长 104
7.3 显式算法 105
7.3.1 中心差分格式 105
7.3.2 显式积分流程 106
7.3.3 显示积分的关键——时间步长 108
7.3.4 稳定性的检测（能量平衡） 110
7.3.5 计算效率的提升（质量缩放和子域循环） 111
7.3.6 准静态的应用（动力松弛） 111
7.4 隐式和显式的选用原则 112
7.5 参考文献 112
第2篇 软件篇 117
第8章 土木工程分析与设计专业软件 117
8.1 PKPM/SATWE软件 117
8.1.1 PKPM/SATWE软件简介 117
8.1.2 PKPM/SATWE软件的主要功能 118
8.1.3 PKPM/SATWE软件的特点 125
8.2 CSI/ETABS软件 125
8.2.1 CSI/ETABS软件简介 125
8.2.2 CSI/ETABS软件的主要功能 127
8.2.3 CSI/ETABS软件的特点 136
8.3 MIDAS/Building软件 136
8.3.1 MIDAS/Building软件简介 136
8.3.2 MIDAS/Building软件的主要功能 137
8.3.3 MIDAS/Building软件的特点 143
8.4 YJK软件 143
8.4.1 YJK软件简介 143
8.4.2 YJK软件的主要功能 144
8.4.3 YJK软件的特点 147
8.5 CSI/SAP2000软件 147
8.5.1 CSI/SAP2000软件简介 147
8.5.2 CSI/SAP2000软件的主要功能 148
8.5.3 CSI/SAP2000软件的特点 151
8.6 参考文献 151
第9章 大型通用有限元软件 152
9.1 ANSYS软件 152
9.1.1 ANSYS软件简介 152
9.1.2 ANSYS APDL二次开发 154
9.1.3 ANSYS UPFs二次开发 155
9.1.4 ANSYS用户界面定制（UIDL） 157
9.1.5 ANSYS数据接口 157
9.2 ABAQUS软件 159
9.2.1 ABAQUS软件简介 159
9.2.2 ABAQUS的纤维杆件模型 163
9.2.3 ABAQUS的剪力墙模型 165
9.2.4 ABAQUS结果数据读取（Python语言） 166
9.3 参考文献 167
第10章 高性能结构仿真集成系统 168
10.1 结构仿真集成系统概述 169
10.1.1 主要功能 169
10.1.2 系统界面 169
10.1.3 操作流程 171
10.2 软件接口介绍 172
10.2.1 结构设计软件接口 172
10.2.2 通用有限元软件接口 172
10.3 模型处理中心介绍 173
10.3.1 有限元网格划分 174
10.3.2 构件截面配置 175
10.3.3 有限元荷载导算 175
10.3.4 约束与连接处理 176
10.3.5 剪力墙边缘构件处理 177
10.4 规范后处理介绍 178
10.4.1 有限元结果的读取 178
10.4.2 基于规范的结果整理 178
10.4.3 构件破坏的评估 179
10.4.4 计算报告书的生成 180
10.5 基于ABAQUS的本构和单元应用 180
10.5.1 钢筋混凝土本构模型 180
10.5.2 钢筋混凝土单元模型 181
10.6 参考文献 181
第3篇 工程应用篇 185
第11章 大跨钢结构分析实例 185
11.1 某会展中心屋顶网壳的非线性稳定分析 185
11.1.1 模型与荷载 185
11.1.2 线性稳定验算 186
11.1.3 非线性稳定验算 187
11.1.4 结论 190
11.2 某单层柱面网壳的非线性稳定分析 190
11.2.1 结构模型与荷载 190
11.2.2 弹性假定下的几何非线性分析 191
11.2.3 考虑弹塑性的稳定性分析 192
11.2.4 结论 193
11.3 参考文献 193
第12章 高层混凝土结构分析实例 195
12.1 某大悬挑工程的弹塑性动力时程分析 195
12.1.1 材料本构模型 196
12.1.2 单元模型 196
12.1.3 整体结构模型与计算条件 197
12.1.4 选取地震波 198
12.1.5 主要分析结果 200
12.1.6 详细构建计算结果及抗震性能分析 209
12.1.7 钢桁架验算 213
12.1.8 型钢混凝土构件验算 213
12.1.9 多道防线分析 220
12.1.10 说明与结论 221
12.2 上海香格里拉酒店弹塑性动力时程分析 221
12.2.1 模型简介 221
12.2.2 静力结果 223
12.2.3 非线性动力时程分析 223
12.3 某超高层结构的弹塑性动力时程分析 229
12.3.1 模型简介 229
12.3.2 分析模型及分析过程 229
12.3.3 静力分析 233
12.3.4 非线性动力时程分析 236
12.3.5 结论 255
12.4 参考文献 255
第13章 施工模拟分析实例 256
13.1 苏州国际金融中心施工模拟分析 256
13.1.1 施工步骤的划分 257
13.1.2 分析理论 257
13.1.3 分析结果 260
13.1.4 结论 264
13.2 华润“春笋”施工模拟分析 266
13.2.1 施工步骤的划分 266
13.2.2 分析理论 267
13.2.3 分析结果 268
13.2.4 结论 279
13.3 参考文献 281
第4篇 附录 285
附录A 结构仿真集成系统的底层网格算法 285
A.1 铺砌法自由网格划分 285
A.1.1 铺砌法概述 285
A.1.2 铺砌法的基本流程 286
A.1.3 铺砌法关键步骤介绍 287
A.1.4 网格拓扑优化 298
A.1.5 网格结点抹平 299
A.1.6 铺砌法流程图解 303
A.2 域内约束网格划分 304
A.2.1 域内定点网格划分 305
A.2.2 域内定线网格划分 305
A.3 可展空间曲面网格划分 308
A.3.1 柱面网格划分 308
A.3.2 圆台曲面网格划分 309
附录B 结构仿真集成系统的计算模型生成 311
B.1 建筑结构有限元模型离散 311
B.1.1 全协调边界结点的自动布置 311
B.1.2 单片剪力墙的网格划分 313
B.1.3 单块楼板的网格划分 314
B.1.4 建筑结构有限元网格划分 315
B.2 构件截面重新配置 317
B.2.1 配置型钢混凝土截面 317
B.2.2 配置层合板（墙）截面 317
B.2.3 配置偏心构件截面 318
B.3 结构荷载有限元离散及导算 318
B.3.1 墙板框架构件荷载导算 319
B.3.2 刚性楼板和刚性杆荷载导算 320
B.4 结构约束与连接处理 320
B.4.1 结构约束连接的处理方式 320
B.4.2 约束方程的算法实现 324
B.4.3 铰接自由度凝聚的算法实现 327
B.5 关于模型转换的对比测试 327
B.5.1 关于边界协调性的问题 327
B.5.2 关于网格密度的问题 330
B.5.3 关于构件偏心的问题 332
B.5.4 关于梁墙连接的问题 338
附录C 结构仿真集成系统的计算结果整理 344
C.1 数据后处理功能介绍 344
C.2 通用有限元数据提取 345
C.3 通用有限元数据后处理 347
C.3.1 索引等结构信息 348
C.3.2 位移转换 348
C.3.3 构件结果 349
C.3.4 楼层、塔结果 354
C.4 计算书自动生成系统 362
C.4.1 小震设计结果 362
C.4.2 计算模型描述 362
C.4.3 计算结果汇总 363
作者简介 366