《計算結構力學》主要介紹桿系結構矩陣分析的基本原理、結構分析程序的設計方法以及計算程序的實際應用等三方面的內容,旨在使讀者學會結構的計算機分析。全書共分7章,分別介紹桿系結構靜力分析的矩陣方法和動力、穩定性和非線性分析的有限單元法;平面桁架、平面剛架靜力分析和剛架動力、穩定性分析程序的設計與應用以及結構非線性分析程序的設計方法等。書中配有上機實習指導材料,各章均有豐富的例題和習題。《計算結構力學》可作為高等工業院校工程結構類和力學類等專業“計算結構力學”課程的教學用書,也可供有關專業工程技術人員參考。
本書是筆者二十多年來在同濟大學從事這門課程教學所用教材的基礎上寫成的。書中主要包括三方面的內容:一是桿系結構矩陣分析的原理,包括結構靜力分析的矩陣方法和動力、穩定性和非線性分析的有限單元法;二是結構分析程序的設計原理與應用軟件,包括平面桁架、平面剛架靜力分析和剛架動力、穩定性分析程序的設計與應用軟件,以及結構非線性分析程序的設計原理;三是結合微型計算機介紹上述結構計算程序的工程應用。
前言
主要符號表
第1章 緒論
第2章 結構靜力分析的矩陣方法
2.1 概述
2.2 矩陣位移法的基本原理
2.3 單元剛度矩陣
2.3.1 桁架單元的剛度矩陣
2.3.2 剛架單元的剛度矩陣
2.3.3 單元剛度矩陣的性質與特點
2.4 直接剛度法
2.5 直接剛度法的計算機處理
2.5.1 總剛度矩陣的計算機存儲
2.5.2 位移邊界條件的處理
2.6 直接剛度法的另一種形式——先處理法
2.7 等效結點荷載
2.8 子結構法
2.9 矩陣力法的基本原理
習題
第3章 平面桁架靜力分析程序設計與應用
3.1 概述
3.2 平面桁架靜力分析主程序
3.3 平面桁架靜力分析子程序及其功能
3.3.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,Al,IB,REAC)
3.3.2 子程序ASSEM(X,Y,NCO,PROP,TK,ELST,AL)
3.3.3 子程序STIFF(NEL,X,Y,PROP,NCO,ELST,AL)
3.3.4 子程序ELASS(NEL,NCO,TM,ELMAT)
3.3.5 子程序BOUND(TK,AL,REAC,IB)
3.3.6 子程序SLBSI(A,B,D,N,MS,NX,MX)
3.3.7 子程序FORCE(NCO,PROP,FORC,REAC,X,Y,AL)
3.3.8 子程序OUTPT(AL,FORC,REAC)
3.4 平面桁架靜力分析程序的應用
習題
第4章 平面剛架靜力分析程序設計與應用
4.1 概述
4.2 平面剛架靜力分析主程序
4.3 平面剛架靜力分析子程序及其功能
4.3.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,AL,IB,REAC)
4.3.2 子程序STIFF(NEL,X,Y,PROP,NCO,ELST,AL)
4.3.3 子程序BTAB3(A,B,V,N,NX)
4.3.4 子程序FORCE(NCO,PROP,FORC,REAC,X,Y,AL)
4.3.5 子程序OUTPT(NCO,AL,FORC,REAC)
4.4 平面剛架靜力分析程序的應用
習題
第5章 結構動力分析和程序設計與應用
5.1 概述
5.2 結構動力分析的有限單元法
5.3 用虛功原理推導單元剛度矩陣
5.3.1 用結點位移表達單元的位移模式
5.3.2 用結點位移表達單元的應變和應力
5.3.3 由虛功原理導出剛架單元的剛度矩陣
5.4 用虛功原理推導等效結點荷載
5.5 剛架單元的質量矩陣
5.6 結構動力分析有限單元法示例
5.7 求解特征值問題的雅可比法
5.8 平面剛架動力分析程序概述
5.9 平面剛架動力分析主程序
5.10 平面剛架動力分析子程序及其功能
5.10.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,IUNK)
5.10.2 子程序ASSEM(X,Y,NCO,PROP,TK,TM,ELST,ELMA,IUNK)
5.10.3 子程序EMASS(NEL,X,Y,PROP,NCO,ELMA)
5.10.4 子程序ELASS(NEL,NCO,IUNK,ELST,ELMA,TK,TM)
5.10.5 子程序EIGG(A,B,H,V,ERR,N,NX)
5.10.6 子程序DECOG(A,N,NX)
5.10.7 子程序INVCH(S,A,N,NX)
5.10.8 子程序JACOB(A,V,ERR,N,NX)
5.10.9 子程序MATMB(A,B,V,N,NX)
5.10.10 子程序0UTPT(TK,TM)
5.11 平面剛架動力分析程序的應用
習題
第6章 結構穩定性分析和程序設計與應用
6.1 概述
6.2 結構穩定性分析的有限單元法
6.3 單元初應力矩陣
6.4 結構穩定性分析有限單元法示例
6.5 平面剛架穩定性分析程序概述
6.6 平面剛架穩定性分析主程序
6.7 平面剛架穩定性分析子程序及其功能
6.7.1 子程序INPUT(X,Y,NCO,PROP,IUNK,ALP)
6.7.2 子程序ASSEM(X,Y,NCO,PROP,TK,TM,ELST,ELGE,IUNK,ALP)
6.7.3 子程序EGEOM(NEL,X,Y,ALP,NCO,ELGE)
6.7.4 子程序ELASS(NEL,NCO,IUNK,ELST,ELGE,TK,TM,ALP)
6.7.5 子程序0UTPT(TK,TM)
6.8 平面剛架穩定性分析程序的應用
習題
第7章 結構非線性分析和程序設計
7.1 概述
7.2 結構幾何非線性分析的有限單元法
7.2.1 帶有流動坐標的迭代法
7.2.2 總體的拉格朗日(Lagrange)列式法
7.3 單元的切線剛度矩陣
7.3.1 桁架單元的切線剛度矩陣
7.3.2 剛架單元的切線剛度矩陣
7.4 非線性方程的求解
7.4.1 直接求解法
7.4.2 簡單增量法
7.4.3 自校正增量法
7.4.4 牛頓-拉夫森(Newton-Paphson)法
7.5 結構的塑性分析
7.6 結構非線性分析程序設計
習題
附錄Ⅰ 上機實習資料
實習1 平面桁架靜力分析程序的應用
1.1 實習目的與要求
1.2 操作提示
1.3 計算模型與數據填寫
實習2 用乘大數法處理位移邊界條件程序設計
2.1 實習目的與要求
2.2 操作提示
2.3 源程序修改提示
實習3 平面剛架靜力分析程序的應用
3.1 實習目的與要求
3.2 操作提示
3.3 計算模型與數據填寫
實習4 有結間荷載作用時剛架分析程序的設計
4.1 實習目的與要求
4.2 操作提示
4.3 源程序修改提示
實習5 平面剛架動力分析程序的應用
5.1 實習目的與要求
5.2 操作提示
5.3 計算模型與數據填寫
實習6 平面剛架穩定性分析程序的應用
6.1 實習目的與要求
6.2 操作提示
6.3 計算模型與數據填寫
附錄Ⅱ 結構計算程序
程序1 平面桁架靜力分析程序(FORTRAN 95,C++)
程序2 平面剛架靜力分析程序(FORTRAN 95,C++)
程序3 平面剛架動力分析程序(FORTRAN 95,C++)
程序4 平面剛架穩定性分析程序(FORTRAN 95,C++)
附錄Ⅲ 習題部分答案或提示
附錄Ⅳ 索引
主要參考文獻
在結構力學課程中已介紹了力法和位移法這兩種基本的結構分析方法。按照這兩種分析方法,求解原結構的問題最終都轉化為求解一組線性代數方程的問題。當結構的桿件數量增加時,方程組的未知量數目通常也會隨之增多,用手工求解就變得十分困難。于是,出現了通過數值運算求解結構的各種漸近法,如力矩分配法、迭代法等;以及對結構作某種簡化后再行求解的近似計算法,如剪力分配法、D值法等。然而,這些實用計算方法都是建立在手算基礎之上的,引入了諸如忽略桿件軸向變形的影響、無結點線位移存在或橫梁剛度遠大于柱的剛度等項假定,其適用范圍一般比較窄小,或是所得出的結果帶有一定的誤差;而且,這些方法也很難拓展到結構的動力、穩定性以及非線性分析的問題中去,其結構分析的過程也不容易規一化。因此,在研究如何運用電子計算機進行結構分析的問題時,考慮的出發點又需要回到力法、位移法這樣帶有根本性和普遍適用性的方法上來。
結構矩陣分析方法實際上就是將結構分析的基本原理和方法用矩陣代數的形式表達出來并進行求解。這樣,不僅可以使結構力學的原理和分析過程表達得十分簡潔,更為重要的是可使結構的