譯者序

　　隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的巨大改進(jìn)，有限元技術(shù)在各個(gè)工程領(lǐng)域正日益顯示出強(qiáng)大的生命力。有限元技術(shù)是一種數(shù)值計(jì)算技術(shù)，它對不能用解析方法求解的問題，有著獨(dú)特的應(yīng)用能力。但是，掌握有限元技術(shù)又不僅僅是一個(gè)純粹的理論問題，它要求應(yīng)用人員有一定的程序設(shè)計(jì)能力，才能將它們應(yīng)用于工程領(lǐng)域?qū)嵺`，否則只能“望洋興嘆”。本書就是在這樣一種背景之下翻譯出版的，使讀者真正具有編制結(jié)構(gòu)清晰可見、閱讀性強(qiáng)的有限元程序。

　　本書的特點(diǎn)之一是提供了相當(dāng)多的源程序供讀者參考，真正地“站在巨人的肩膀上”。本書提供的各個(gè)程序都利用了FORTRAN2003的強(qiáng)大功能，采用模塊化編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，有利于讀者閱讀。同時(shí)，結(jié)合具體的工程應(yīng)用實(shí)例，對本書中各個(gè)程序的應(yīng)用原理、變量含義等做了簡明扼要的說明。本書的另一特點(diǎn)是，對每一類問題都提供了不同的求解技術(shù)，如高斯直接消元法、迭代法、隱式積分法、顯式積分法、混合顯式/隱式積分法、共軛梯度法等。通常情況下，有限元分析對計(jì)算機(jī)的存儲要求和運(yùn)行速度要求都是很高的，尤其是對大型問題而言。因此，本書除了提供通常采用的單元組裝技術(shù)之外，還提供了有關(guān)“逐個(gè)單元”法或“自由網(wǎng)格”法等求解技術(shù)，它們不需要存儲大型的總剛度矩陣。

　　此外，本書的這一版本中，還特別關(guān)注與其他開放軟件的接口，例如，ParaView用于計(jì)算結(jié)果的可視化，ABAQUS用戶子程序用于一些材料本構(gòu)模型，ARPACK用于大型特征值分析，METIS用于網(wǎng)格劃分等。本書涉及的知識面相對較廣，但主要圍繞三個(gè)方面的問題展開有限元程序設(shè)計(jì)，即固體力學(xué)問題、流體力學(xué)(包括熱力學(xué))問題、固體與流體的耦合問題(如土力學(xué)中的問題)，涉及的方程主要有靜力平衡方程、傳導(dǎo)方程和特征值方程。本書中，第2章和第3章是以后各章的基礎(chǔ)；第4章至第6章是針對彈、塑性問題的靜力分析，應(yīng)用的主要是靜力平衡方程；第7章至第9章主要是針對流體問題，或者流體與固體的耦合問題，應(yīng)用的主要是傳導(dǎo)方程；第10章至第11章是彈、塑性實(shí)體的動(dòng)力響應(yīng)分析，應(yīng)用的主要是特征值方程；第12章是有限元分析的并行處理。當(dāng)然，其有限元分析過程都是類似的，這有利于讀者針對不同問題擴(kuò)展現(xiàn)有程序。

　　本書作為一本教材，主要針對學(xué)習(xí)有限元編程技術(shù)的本科生和研究生。另外，對相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)從事有關(guān)有限元程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用的工程技術(shù)人員也有指導(dǎo)作用。

　　翻譯國外的教材是一個(gè)再創(chuàng)作過程，本書的翻譯過程得到了很多人的幫助和參與，沒有他們?yōu)榇烁冻龅男羷冢�就不�?huì)在如此短的時(shí)間內(nèi)順利地翻譯這本書，在此衷心感謝為本書翻譯付出努力的每一個(gè)人！除了本人之外，慈鐵軍副教授、范偉麗副教授、葉鋒副教授和楊文剛博士等也參與了本書的翻譯工作。另外，韓春雨、曹應(yīng)平、白云燦、鄭朝陽、張軍磊、李賽賽、李先超和張晨陽等研究生也參與了本書翻譯的相關(guān)工作，在此對他們的工作表示衷心感謝。全書由張新春副教授統(tǒng)一校核。

　　由于譯者自身的知識局限性和精力有限，譯文難免有錯(cuò)漏之處，謹(jǐn)向原書作者和讀者表示歉意，并歡迎讀者批評指正。

　　華北電力大學(xué)機(jī)械工程系

　　張新春

　　2016年10月于保定

　　第五版前言

　　這個(gè)版本保持了先前版本成功的主題，即模塊化程序設(shè)計(jì)風(fēng)格，該風(fēng)格簡潔，易于讀取計(jì)算機(jī)程序，通過求解偏微分方程而解決廣泛的工程和科學(xué)問題。

　　盡管在計(jì)算機(jī)硬件上有了巨大的改進(jìn)，但編程風(fēng)格本質(zhì)上是相同的。本書既適合首次接觸有限元方法的初學(xué)者閱讀，也可供使用最新一代并行超級計(jì)算機(jī)求解大型工程問題的專家參考。

　　在這一版本中，特別關(guān)注的是與其他開放軟件的接口，例如，ParaView用于結(jié)果的可視化，ABAQUS用戶子程序用于一些材料本構(gòu)模型，ARPACK用于大型特征值分析，METIS用于網(wǎng)格劃分。

　　考慮到計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展，第1章已經(jīng)重新改寫，例如，GPU的可用性和云計(jì)算環(huán)境。在第2章到第11章中，增加了大量附件用于提高分析選項(xiàng)。例如，新回歸算法用于彈、塑性分析，更多的一般邊界條件規(guī)范和動(dòng)態(tài)分析的復(fù)雜響應(yīng)選項(xiàng)。

　　第12章已經(jīng)更新，說明有限元分析在并行計(jì)算環(huán)境中快速發(fā)展的可能性。在第四版中，并行“進(jìn)程”的最大數(shù)目是64，而在本版本中，這個(gè)數(shù)目已經(jīng)增加到64000。本書還講述了加速計(jì)算GPU的使用。

　　致謝

　　非常感謝許多個(gè)人和機(jī)構(gòu)對本書所做的貢獻(xiàn)。感謝澳大利亞研究理事會(huì)對紐卡斯?fàn)?NSW)大學(xué)巖土科學(xué)與工程研究中心(CGSE)的大力支持，尤其是黃勁松(JinsongHuang)對第6章、第8章和第9章中幾個(gè)新的和改進(jìn)的程序開發(fā)與驗(yàn)證所做的貢獻(xiàn)。路易斯(曼徹斯特大學(xué))是ParaFEM的主要開發(fā)者之一，提供了第1章、第5章、第6章和第12章中ParaView使用的練習(xí)題，并建立了社團(tuán)網(wǎng)站http://parafem.org.uk。

　　有許多人對第12章做出了貢獻(xiàn)。LlionEvans，PaulMummery，PhilipManning，GrahamHall和DimitrisChristias(曼徹斯特大學(xué))提供了科學(xué)案例研究。FlorentLebeau和FrancoisBodin(CAPS公司)評估了GPU的使用，PhilippeYoung(Simpleware有限公司)提供了基于圖像模型的大力支持。

　　第12章中的程序標(biāo)記利用超級計(jì)算機(jī)來完成，這些超級計(jì)算機(jī)屬于英國國家高性能計(jì)算服務(wù)“HECToR”(e107，e254)和英國區(qū)域服務(wù)“N8HPC”(EP/K000225/1)。歐盟FP7項(xiàng)目“Venus-C”和(西班牙)巴塞羅那超級計(jì)算中心提供了使用微軟Azure的通道、資源和培訓(xùn)。

　　在本書的準(zhǔn)備過程中，我們也要感謝我們的家庭成員對本書的大力支持，包括ValerieGriffiths，LauraSanchez和NathanMargetts。