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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APDL53

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