前 言

為了滿足我國(guó)“大型飛機(jī)”重大專項(xiàng)對(duì)飛機(jī)研制人才的迫切需求，上海交通大學(xué)在上海市政府的大力支持下，啟動(dòng)了“上海交通大學(xué)大型民機(jī)創(chuàng)新工程”項(xiàng)目。本書作為該項(xiàng)目三個(gè)子項(xiàng)目之一的“人才工程”配套內(nèi)容，于2008年初正式立項(xiàng)，并在2009年春季和秋季兩個(gè)學(xué)期的飛行器設(shè)計(jì)研究生“特班”得以試用和完善。

眾所周知，工程結(jié)構(gòu)中的許多力學(xué)問題，從本質(zhì)上講都是非線性的。結(jié)構(gòu)力學(xué)中的線性假設(shè)，是早期（19世紀(jì)中葉）受當(dāng)時(shí)計(jì)算工具和計(jì)算方法的限制而不得不對(duì)實(shí)際問題所做的一種簡(jiǎn)化。由于現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)日趨大型、整體、復(fù)雜化，而且許多主承力構(gòu)件還大量采用了先進(jìn)復(fù)合材料，使得許多結(jié)構(gòu)件在高載、高溫和高壓條件下呈現(xiàn)出一系列復(fù)雜的非線性現(xiàn)象。因此，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析是十分必要的。有限元法是求解結(jié)構(gòu)力學(xué)中非線性問題最好、最有效的數(shù)值方法，大型、高速計(jì)算機(jī)和成熟、有效的計(jì)算軟件也使得結(jié)構(gòu)的非線性分析成為可能。

近年來，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件較多，如NASTRAN、 MARC、 ABAQUS等，這些軟件已經(jīng)在我國(guó)航空航天相關(guān)科研院所得到普遍使用，且大多具備較強(qiáng)的非線性分析功能。但是，現(xiàn)有的科研、技術(shù)人員對(duì)這些軟件的非線性分析功能的使用與開發(fā)還很不夠，其主要原因是缺乏非線性分析的基礎(chǔ)理論知識(shí)。為了幫助他們了解非線性問題的力學(xué)原理以及非線性有限元分析方法，看懂相關(guān)文獻(xiàn)資料，很好地使用和開發(fā)現(xiàn)有的通用商業(yè)軟件，解決非線性結(jié)構(gòu)分析問題，本書作者以其在大連理工大學(xué)和沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所工作期間的教學(xué)講義和相關(guān)科研成果為基礎(chǔ)，并結(jié)合最近幾年的工程應(yīng)用需求編寫了這本教材。

本書在編寫過程中，考慮主要閱讀對(duì)象是工科專業(yè)的碩士研究生。因此，本書內(nèi)容在理論上偏重基本概念，并舉一反三，方法上力求反映新近成果，應(yīng)用上緊密結(jié)合航空工程特別是飛機(jī)結(jié)構(gòu)，并給出具體實(shí)施的方法和步驟，在表達(dá)上力求深入淺出，方便讀者學(xué)習(xí)。

本書共分為8章。第1章簡(jiǎn)要介紹非線性問題的分類和一些基本概念，使讀者對(duì)非線性問題有個(gè)概貌了解和粗淺認(rèn)識(shí)。同時(shí)，對(duì)線性有限元方法的基本原理做了簡(jiǎn)要回顧。第2章介紹了材料非線性的本構(gòu)關(guān)系，重點(diǎn)是一般工程材料的塑性本構(gòu)理論，包括屈服、強(qiáng)化、加卸載準(zhǔn)則和塑性流動(dòng)法則。第3章講述了彈塑性有限元方法的實(shí)施辦法和具體步驟。第4章從工程應(yīng)用的角度，給出了以增量/迭代型為主的非線性方程組的求解方法和步驟，還介紹了能跟蹤非線性過程的弧長(zhǎng)法。第5章闡述了大變形條件下幾何非線性基本方程的Lagrange描述和應(yīng)力、應(yīng)變度量。第6章給出了幾何非線性理論與求解方法的具體實(shí)施步驟和過程。第7和第8章是結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析和在飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析是幾何非線性理論在工程應(yīng)用中的衍生學(xué)科，也是作者科研工作的主要領(lǐng)域。

為了使讀者深入理解本教程的基本理論和方法，具體了解非線性有限元分析的實(shí)施過程，最后還附有三個(gè)教學(xué)程序，可供研究生學(xué)習(xí)和用作數(shù)值試驗(yàn)。這三個(gè)教學(xué)程序的整理和編寫工作是由大連理工大學(xué)徐勝利博士完成的。

本書除可作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)碩士班教材外，還可用作高等工科院校工程學(xué)科研究生、高年級(jí)本科生的教材或參考書，也可作為廣大工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)非線性有限元分析方法的參考書。由于作者知識(shí)面和學(xué)術(shù)水平有限，書中存在的不足之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。

最后，感謝大連理工大學(xué)和上海交通大學(xué)上過這門課的歷屆研究生為本書的電子文檔所做的工作。