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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