MSC.Nastran有限元动力分析与优化设计实用教程

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出版者:科学出版社
作者:隋允康
出品人:
页数:288
译者:
出版时间:2004-4-1
价格:30.00
装帧:平装(无盘)
isbn号码:9787030129901
丛书系列:数码工程师系列丛书
图书标签:
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具体描述

结构动力学与有限元分析:从理论基础到高级应用 本书聚焦于现代工程结构动力学分析与有限元方法(FEM)的深度融合与实际应用,旨在为工程师、研究人员和高级学生提供一套全面、深入且具有高度实践指导意义的知识体系。本书将结构动力学的基本理论与先进的数值计算技术相结合,系统阐述如何利用有限元方法高效、准确地解决复杂工程结构在动态载荷作用下的响应问题,并进一步延伸至结构优化设计领域。 第一部分:结构动力学基础理论 本书首先构建了坚实的结构动力学理论基础,这是理解和应用高级分析技术的前提。 1. 振动理论基础回顾与拓展: 我们将从单自由度(SDOF)和多自由度(MDOF)系统开始,系统回顾经典的自由振动、强迫振动、瞬态响应以及随机振动等核心概念。重点在于系统固有特性——固有频率和振型——的确定及其物理意义的深入剖析。内容将涵盖质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵的建立与物理表达,特别是不同类型阻尼模型(如瑞利阻尼、质量比例阻尼、刚度比例阻尼)在实际工程问题中的适用性与局限性。 2. 连续体离散化与变分原理: 深入探讨结构动力学问题的数学描述——偏微分方程(PDEs)。本书将详细介绍能量变分原理(如虚功原理、哈密顿原理)在推导结构动力学方程中的应用。着重讲解如何将连续体问题转化为可求解的离散代数方程组,为后续的有限元建模奠定理论基石。 3. 时间积分方法的比较与选择: 时间域分析是处理瞬态动力学问题的核心。本书将详尽对比和分析各种主流的数值积分算法,包括显式方法(如中心差分法)和隐式方法(如Newmark-$eta$法、HHT-$alpha$法、广义-$alpha$法)。分析的重点将放在各方法的稳定性和精度(一致性与收敛性),并提供明确的工程指导,说明在何种物理场景下应优先选择哪种时间步进策略。 --- 第二部分:有限元方法在动力学分析中的高级应用 本部分是本书的核心,详细阐述如何将理论转化为精确的有限元模型,并处理实际工程中遇到的复杂性。 4. 空间离散化:单元选择与网格生成: 详细讨论梁、壳、实体单元在动力学分析中的特性差异。特别关注大变形、几何非线性对动力学响应的影响,以及如何选择合适的单元类型(如线性和二次单元)以保证计算效率与结果准确性之间的平衡。书中将引入网格质量对模态分析结果(尤其是高阶模态)的影响评估方法,强调网格优化在动力学仿真中的重要性。 5. 模态叠加与模态截断的精度控制: 系统阐述模态分析(Eigenvalue Analysis)的计算流程,并深入探讨如何利用模态叠加法求解瞬态和模态响应。一个关键的技术点是模态截断(Mode Truncation):如何确定分析所需的有效模态数,避免“缺失刚度”或“缺失质量”效应,确保在截断后所得结果的物理可靠性。 6. 非线性动力学分析的挑战与策略: 非线性是结构动力学分析中最具挑战性的部分。本书将分类讨论材料非线性(如弹塑性、超弹性)、几何非线性(如P-Delta效应、大旋转)以及接触非线性。针对每种非线性,都将介绍相应的求解策略,包括牛顿法、修正牛顿法等迭代算法的收敛性控制,以及在动力学分析中如何处理刚度矩阵的周期性更新。 7. 接触与冲击动力学分析: 专门章节讨论结构间接触或冲击载荷下的响应模拟。内容涵盖显式动力学求解器的应用场景,如碰撞、爆炸或高速冲击。着重分析接触算法的稳定性(如罚函数法、增广拉格朗日法)以及在计算过程中如何有效管理接触面状态的瞬态变化。 --- 第三部分:高级动力学问题与工程实践 本部分面向具备一定基础知识的工程师,深入探讨前沿和实际工程中常见的复杂动力学问题。 8. 随机振动与疲劳寿命评估: 介绍如何利用随机过程理论(如功率谱密度函数PSD)来模拟地震、风荷载或机械振动等随机激励。详细阐述功率谱响应分析(Power Spectral Density Response Analysis)的方法论,以及如何将频率响应分析的结果与疲劳损伤模型(如Miner法则)相结合,预测结构在随机载荷下的长期寿命。 9. 结构-流体相互作用(FSI)与声学耦合分析: 针对航空航天、海洋工程等领域,本书将介绍如何耦合流体动力学(CFD)和结构动力学分析。重点关注虚质量效应和流致振动的建模技术。同时,探讨有限元方法在分析结构辐射和散射噪声(声固耦合)中的应用。 10. 结构健康监测(SHM)与逆向分析: 从动力学分析结果反推结构特性。介绍如何利用实际采集到的振动响应数据(加速度计信号)来识别结构损伤(如刚度退化、裂纹扩展)。内容包括模态参数的变化与损伤位置的关联性分析,以及利用有限元模型进行模型修正(Model Updating)的技术流程。 --- 第四部分:从分析到优化设计 结构动力学分析的终极目标是指导更安全、更轻量化的设计。 11. 动力学约束的优化设计基础: 系统介绍结构优化设计(Optimization Design)的理论框架,包括目标函数、设计变量和约束条件的定义。重点关注如何将模态频率、振动响应幅值、应变能密度等动力学指标转化为优化目标或约束条件。 12. 灵敏度分析与优化算法: 详细介绍伴随法(Adjoint Method)在计算结构频率和振型对设计参数(如截面尺寸、材料分布)的灵敏度方面的优势。讨论梯度下降法、牛顿法及其在结构动力学优化问题中的应用,旨在实现对结构动态性能的轻量化与刚度化的平衡。 附录: 附录将包含高效的矩阵求解器选择指南、动力学后处理技术(如应变率可视化、能量流分析),以及常用工程结构(如桥梁、机械臂)的动力学分析案例精选。 本书的特色在于理论推导的严谨性与工程案例的实用性紧密结合,所有方法均以解决实际工程中的复杂动力学问题为导向。读者在掌握先进有限元建模技能的同时,能够深刻理解动态响应背后的物理机理,从而设计出更具韧性与可靠性的工程结构。

作者简介

目录信息

第一章 程序概况
第二章 动力分析的基础
第三章 实特征值分析
第四章 频率响应分析
第五章 瞬态响应分析
第六章 强迫运动分析
第七章 高级动力分析
第八章 结构优化的一般概念
第九章 结构优化一般过程
第十章 截面优化
第十一章 结构优化软件的二次开发
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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在优化设计方面,我希望书中能够更深入地介绍不同类型的优化算法,并讨论它们各自的优缺点以及适用范围。例如,对于参数优化,除了基本的梯度法,如果能介绍响应面法、遗传算法等,并结合案例说明如何根据优化问题的特点来选择合适的算法,将会非常有价值。书中对于拓扑优化的描述,如果能更详细地解释中间变量的过滤、边界处理和后处理的常用方法,以及如何将优化结果转化为实际可制造的 CAD 模型,将会更有指导意义。我期待看到更多关于如何设定清晰的优化目标和约束条件的案例,以及如何处理优化过程中可能出现的局部最优解等问题。

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总的来说,虽然这本书为我提供了 MSC.Nastran 有限元动力分析与优化设计的一些基本概念和初步了解,但我仍然觉得在很多关键方面,如详细的操作步骤、深入的理论解释、丰富多样的工程案例等方面,还有很大的提升空间。我希望未来的版本能够更侧重于实际应用,为我这样的初学者提供更具指导性的内容,帮助我们更好地掌握 MSC.Nastran 这一强大的工程分析工具。

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书中对于非线性静态分析的部分,我感到有些意犹未尽。我希望能够看到更详细的关于非线性因素(如材料非线性、几何非线性、接触非线性)的处理方法。例如,在分析一个橡胶密封件在压缩载荷下的变形时,如何准确地选择材料的本构模型(如 Mooney-Rivlin 模型),以及如何处理橡胶与金属之间的接触约束。书中对于非线性求解器(如 Newton-Raphson 方法)的收敛准则、步长控制以及如何处理可能出现的收敛困难的讨论,我认为可以更加深入。我特别希望书中能够提供一些实际案例,展示如何利用 MSC.Nastran 来解决工程中遇到的典型的非线性问题,并对分析结果进行详细的解释和评估。例如,在设计一个汽车悬架系统的关键连接件时,如何考虑材料的塑性变形和几何大变形对结构响应的影响。

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我对书中关于 MSC.Nastran 的安装与基础操作部分,希望能有更详尽的图文并茂的指导。虽然书中有提及安装步骤,但对于不同操作系统的兼容性、环境变量的设置、以及Nastran求解器与前后处理器的协同工作流程,我觉得还可以更深入地介绍。我希望看到更具体的操作演示,例如如何创建几何模型、划分网格、定义材料属性、施加载荷与边界条件,以及如何运行分析并查看结果。特别是对于新手而言,这些基础操作是后续进行复杂分析的前提。我期待书中能够提供一些关于如何使用 Nastran 的图形用户界面(GUI)来完成这些任务的详细教程,包括菜单栏的各个选项的功能解释,工具栏的常用按钮的用法,以及如何进行模型的三维可视化和数据导入导出。例如,我希望能看到一个从零开始的实例,演示如何使用 MSC.Patran(如果书中提及)来创建一个简单的实体模型,然后将其导入 MSC.Nastran 进行静态分析,并重点讲解每一步操作背后的逻辑和目的。

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关于书中提及的流固耦合分析,我感到这部分内容可以更详尽。我希望能看到关于如何进行流固耦合分析的详细设置步骤,以及如何处理流体和固体边界之间的耦合作用。例如,在分析一个桥梁在风载作用下的振动时,如何耦合 CFD(计算流体动力学)软件的流场结果与 MSC.Nastran 的结构动力学分析。书中对于耦合类型(如单向耦合、双向耦合)的选择,以及如何处理耦合过程中的数据交换和网格匹配问题,我认为可以有更深入的讨论。我期待书中能提供一些实际的流固耦合案例,例如飞机机翼的气动弹性分析,或者船舶在水流中的动力响应分析。

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在高级应力分析方面,我希望书中能够更深入地探讨疲劳寿命预测和断裂力学分析。例如,如何利用 MSC.Nastran 分析得到的应力/应变结果,结合疲劳寿命预测模型(如 S-N 曲线、ε-N 曲线)来估算结构的疲劳寿命。书中对于断裂力学分析的基本概念(如应力强度因子、裂纹扩展速率)的介绍,以及如何利用 MSC.Nastran 进行相关分析,如果能有更详细的说明,将会非常有帮助。我期待书中能提供一些实际的疲劳损伤累积和裂纹扩展的案例,例如飞机机翼在循环载荷下的疲劳分析,或者压力容器在服役期间的裂纹扩展预测。这些内容对于确保结构的长期安全性和可靠性至关重要。

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作为一名刚入行的有限元分析工程师,我在寻找一本能够系统讲解 MSC.Nastran 动力学分析与优化设计的书籍时,偶然间发现了这本《MSC.Nastran有限元动力分析与优化设计实用教程》。我抱持着极大的期待,希望这本书能成为我学习道路上的明灯。然而,在阅读过程中,我却发现这本书的内容似乎并没有完全达到我最初的设想。 首先,在动力学分析的部分,我对如何有效地设置和理解模态分析中的固有频率和振型提出了疑问。我期待书中能提供更详尽的案例,例如针对特定结构的模态分析,详细解释如何根据实际工程需求选择合适的分析类型(如稳态响应、瞬态响应、随机响应等),并对分析结果的后处理进行深入的阐述。例如,在进行结构动力特性分析时,我希望能看到如何针对一个复杂的航空发动机部件,进行模态分析,并基于得到的模态参数进行进一步的动力学响应预测。书中对于如何解释大量的模态输出数据,例如节点位移、速度、加速度、应力等,希望能给出更清晰的指导,让我能够更准确地理解结构的动力学行为。此外,书中在瞬态动力学分析方面,对时间步长的选择、积分方法的讨论,以及如何处理非线性因素(如接触、阻尼的非线性)的阐述,我觉得还可以更深入。我特别关注在处理具有复杂载荷(如冲击、振动)情况下,如何选择合适的时域积分器(如中心差分法、Newmark法),以及这些方法对计算精度和稳定性的影响。

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对于书中提及的线性屈曲分析,我希望能够有更深入的讲解,特别是在如何选择屈曲分析的加载方式和边界条件方面。例如,对于一个受轴向压力作用的薄壁圆柱壳,如何正确地设置加载的类型和幅值,以及如何施加适合的边界条件来预测其屈曲载荷。书中对于屈曲模态的解读,以及如何根据这些模态来评估结构的稳定性,希望能有更详细的说明。我期待书中能够提供一些实际工程案例,例如桥梁、高层建筑或航空航天结构在受压工况下的屈曲分析,并详细阐述如何通过改变结构参数来提高其屈曲稳定性。此外,书中对于非线性屈曲分析的介绍,如果能有更详细的讨论,例如如何处理大变形和材料非线性对屈曲行为的影响,将会非常有帮助。

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在优化设计方面,我对如何利用 MSC.Nastran 进行结构参数优化和拓扑优化有着浓厚的兴趣。我希望这本书能够提供丰富的实际工程案例,例如针对汽车零部件的轻量化设计,如何通过参数优化来调整截面属性,或者利用拓扑优化来发现最优的材料分布。书中对于优化目标的设定(如最小化质量、最大化刚度、最小化应力集中等),优化约束的定义(如材料属性、几何限制、边界条件等),以及优化算法的选择(如梯度法、响应面法、遗传算法等)的详细讲解,我觉得还有提升的空间。我特别希望能看到在优化过程中,如何将 MSC.Nastran 的分析结果与优化算法相结合,从而实现高效的迭代优化。例如,在设计一个桥梁结构的腹板厚度时,我希望书中能够展示如何设置腹板厚度作为设计变量,将结构的整体刚度作为优化目标,并设置材料屈服强度作为约束,然后利用 MSC.Nastran 的优化模块进行迭代求解,直到满足设计要求。此外,书中对于拓扑优化的中间变量过滤、边界处理以及最终结果的后处理(如将优化结果转化为可制造的 CAD 模型)的讨论,可以更加具体和深入。

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在进行结构静力分析方面,我希望能看到书中对各种载荷类型(如集中力、分布载荷、温度载荷、惯性载荷等)的详细定义和应用方法。同时,对于边界条件的设置(如固定约束、位移约束、弹簧约束等),我也希望有更深入的讲解,以及如何根据实际工程需求来选择合适的约束类型。例如,在分析一个飞机起落架的受力情况时,如何准确地施加复杂的地面试验载荷,以及如何模拟起落架与飞机机身的连接处的约束条件,这些都是我非常关心的。书中对于分析结果的解读,例如应力分布、位移云图、接触压力等,希望能提供更具体的指导,帮助我理解这些结果背后的物理意义,以及如何根据这些结果来评估结构的可靠性。我尤其希望看到书中能提供一些关于如何进行网格收敛性研究的指导,以确保分析结果的准确性。

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