有限元分析及應(yīng)用

前言

　　有限元法經(jīng)過四十多年的發(fā)展，尤其是近二十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)成為工程力學(xué)問題數(shù)值分析的有效方法之一。強(qiáng)大的分析能力是有限元法最突出的特點(diǎn)，它所解決的問題種類之廣泛，幾乎囊括了結(jié)構(gòu)分析的各個(gè)方面。本書不準(zhǔn)備（事實(shí)上也不可能）面面俱到地?cái)⑹鲞@一方法在各學(xué)科中的理論和應(yīng)用，力求對(duì)結(jié)構(gòu)分析中經(jīng)常遇到的幾類典型問題的有限元解法進(jìn)行闡述?！　”緯歉鶕?jù)作者多年來(lái)從事石油設(shè)備力學(xué)分析研究成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)編寫而成。全書注重有限元法的基本理論與基本過程的闡述和工程應(yīng)用相結(jié)合，書中論述了“石油鉆采管柱接觸非線性分析的間隙元法”和“石油化工設(shè)備有限元分析”，給出了典型工程實(shí)例的分析過程和計(jì)算結(jié)果，以便讀者學(xué)有所用。　　本書由大慶石油學(xué)院劉揚(yáng)、劉巨保、羅敏編著。在本書的編寫過程中，內(nèi)容上力求理論聯(lián)系實(shí)際，緊密結(jié)合工程應(yīng)用；表達(dá)上力求精練，深入淺出。全書共12章。第1章簡(jiǎn)要介紹了有限元法的基本概念；第2章介紹了桿系結(jié)構(gòu)有限元法；第3章介紹了彈性力學(xué)平面問題有限元法；第4章介紹了彈性力學(xué)軸對(duì)稱問題有限元法；第5章介紹了彈性力學(xué)空間問題有限元法；第6章介紹了板殼問題的有限元法；第7章介紹了彈性穩(wěn)定問題的有限元分析；第8章介紹了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題的有限元法；第9章介紹了材料非線性有限元法；第10章介紹了幾何非線性問題有限元法；第11章介紹了接觸非線性有限元分析；第12章介紹了石油鉆采管柱非線性有限元分析?！　≡诒緯帉戇^程中，大慶石油學(xué)院張學(xué)鴻教授、李治淼、丁宇奇老師給予了很大幫助，博士生張強(qiáng)和碩士生王琳、岳欠杯、欒一秀、朱霞、姜斌等為本書的部分算例、書稿的打印、繪圖花費(fèi)了大量精力和時(shí)間，在此向他們表示衷心的感謝?！　”緯烧憬髮W(xué)丁皓江教授主審，并提出了許多寶貴意見和建議，在此表示衷心的感謝。　　由于編者水平所限，書中難免有疏漏或不足之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書為21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材。　　本書以簡(jiǎn)明、淺顯的方式系統(tǒng)地闡述了結(jié)構(gòu)分析中的有限元法基本理論及其應(yīng)用，內(nèi)容豐富、概念清晰，注重理論聯(lián)系實(shí)際，附有大量工程實(shí)例。主要內(nèi)容包括：桿系結(jié)構(gòu)、彈性力學(xué)平面和軸對(duì)稱問題、空間問題、板殼、彈性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料非線性、幾何非線性、接觸非線性和石油鉆采管柱非線性有限元分析?！　”緯勺鳛楣た圃盒Ｏ嚓P(guān)專業(yè)本科高年級(jí)學(xué)生和研究生的教材，也可供機(jī)械、石油工程等工程專業(yè)的技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言1　有限元法的基本概念    1.1　概述    1.2　有限元的發(fā)展及常用軟件介紹    1.3　有限元分析的基本步驟2　桿系結(jié)構(gòu)有限元法    2.1　平面桁架有限元法    2.2　平面剛架有限元法    2.3　空間剛架有限元法    2.4　化工熱力管系結(jié)構(gòu)有限元分析    2.5　石油井架有限元分析3　彈性力學(xué)平面問題有限元法    3.1　三節(jié)點(diǎn)三角形單元    3.2　四節(jié)點(diǎn)矩形單元    3.3　高次三角形單元和矩形單元    3.4　平面等參數(shù)單元    3.5　計(jì)算例題4　彈性力學(xué)軸對(duì)稱問題有限元法    4.1　三節(jié)點(diǎn)三角形環(huán)狀單元    4.2　四邊形環(huán)狀等參數(shù)單元    4.3　計(jì)算實(shí)例5　彈性力學(xué)空間問題有限元法    5.1　常應(yīng)變四面體單元    5.2　二次四面體單元    5.3　六面體單元    5.4　空間等參數(shù)單元    5.5　射孔套管承載能力有限元分析    5.6　井口裝置承壓本體有限元分析6　板殼問題的有限元法    6.1　薄板彎曲問題的基本公式    6.2　矩形薄板單元    6.3　三角形薄板單元    6.4　平面殼體單元    6.5　輸油管線三通應(yīng)力的有限元分析    6.6　1萬(wàn)m3拱頂油罐頂板應(yīng)力分析7　彈性穩(wěn)定問題的有限元分析    7.1　梁?jiǎn)卧膸缀蝿偠染仃?   7.2　板單元的幾何剛度矩陣    7.3　整體分析    7.4　桿件結(jié)構(gòu)算例    7.5　彈性薄板算例8　結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題的有限元法    8.1　動(dòng)力學(xué)方程    8.2　單元質(zhì)量矩陣    8.3　阻尼矩陣    8.4　特征值問題及其解法    8.5　結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的求解    8.6　鋼絲繩抽油桿瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析9　材料非線性有限元法    9.1　非線性有限元問題的求解方法    9.2　非線性彈性力學(xué)問題    9.3　彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系    9.4　彈塑性問題的求解方法    9.5　桿系結(jié)構(gòu)的塑性分析10　幾何非線性問題有限元法    10.1　非線性問題的簡(jiǎn)述    10.2　幾何非線性問題的一般性討論    10.3　大撓度板單元的切線剛度矩陣    10.4　非線性三維單元的切線剛度矩陣    10.5　大位移三維實(shí)體單元    10.6　雙重非線性一彈塑性大位移問題11　接觸非線性有限元分析    11.1　概述    11.2　接觸問題有限單元法的基本概念    11.3　接觸問題求解的一般過程    11.4　接觸問題的罰函數(shù)法    11.5　接觸問題的間隙單元法    11.6　管道螺紋連接處接觸應(yīng)力分析    11.7　雙層套箍式加氫反應(yīng)器殼體接觸應(yīng)力分析    11.8　卡箍型快開盲板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析    11.9　電泵機(jī)組花鍵軸花鍵處應(yīng)力分析    11.10　急冷鍋爐殼程筒體法蘭和管箱法蘭間接觸應(yīng)力分析12　石油鉆采管柱非線性有限元分析參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1　有限元法的基本概念　　1.1　概述　　在石油石化設(shè)備研制中，首先要滿足工藝提出的各種要求，其次要保證設(shè)備能夠安全可靠的工作，尤其是在高溫高壓、有毒介質(zhì)和井下工作時(shí)的設(shè)備安全可靠度要求更高，這就需要對(duì)石油設(shè)備的力學(xué)分析更加準(zhǔn)確，方可提供可靠的理論依據(jù)，確保石油石化設(shè)備的安全可靠運(yùn)行?！　∈褪O(shè)備力學(xué)分析的特殊性主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：　　（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如鉆井過程中的井架和底座是由數(shù)千根桿件采用不同連接方式形成的大型空間剛架結(jié)構(gòu)，化工設(shè)備中開有各種孔、配有各種筋的化工容器等；　?。?）設(shè)備載荷復(fù)雜，大部分石油設(shè)備都受自重、風(fēng)載、雪載、溫度、壓力等各種載荷的綜合作用；　　（3）邊界條件復(fù)雜，如井下管柱與井壁的隨機(jī)多向接觸摩擦，井架底座和容器的地基下陷等?！　∵@些特殊性給石油設(shè)備的力學(xué)分析帶來(lái)了一定難度，很難用工程力學(xué)理論描述出結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)或用彈性力學(xué)方法得到問題的解析解。為此，當(dāng)電子計(jì)算機(jī)問世以后，人們研究了各種數(shù)值方法來(lái)分析這些復(fù)雜的工程問題，主要包括有限元法、有限差分法、邊界元法、加權(quán)殘數(shù)法等，其中有限元法以其概念淺顯、應(yīng)用范圍廣、計(jì)算效率高等特征在工程中得到了廣泛應(yīng)用，已成為工程師們解決結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力分析與強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)問題的主要手段之一。

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