Tài liệu: Singiresu s rao the finite element method in engineering fifth

Chuyên khảo Singiresu s rao the finite element method in engineering fifth edition phân tích chuyên sâu các khía cạnh quan trọng trong lĩnh vực công

Trường đại học

University Of Miami

Chuyên ngành

Mechanical And Aerospace Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbook

2011

727
0
0

Phí lưu trữ

135 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Phương pháp Phần tử Hữu hạn của Singiresu S

Singiresu S. Rao là một trong những nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Tài liệu "The Finite Element Method in Engineering" phiên bản thứ năm của ông là một công trình kinh điển được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học và ngành công nghiệp trên toàn thế giới. Rao là Giáo sư và Chủ tịch Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không vũ trụ tại Đại học Miami, Coral Gables, Florida. Cuốn sách này cung cấp nền tảng vững chắc về lý thuyết phần tử hữu hạn và ứng dụng thực tiễn trong các bài toán kỹ thuật phức tạp, từ phân tích tĩnh đến động lực học.

1.1. Tác giả và Thông tin Xuất bản

Singiresu S. Rao là tác giả nổi tiếng với hơn ba thập kỷ kinh nghiệm trong giáo dục và nghiên cứu. Cuốn sách được xuất bản bởi Butterworth-Heinemann, một nhãn hiệu của Elsevier, năm 2011. Tài liệu này được công nhận là một trong những tài liệu tham khảo chuẩn trong lĩnh vực phương pháp phần tử hữu hạn kỹ thuật, với phạm vi bao quát từ những khái niệm cơ bản đến các ứng dụng nâng cao.

1.2. Đối tượng và Mục tiêu của Sách

Cuốn sách được thiết kế cho sinh viên đại học, kỹ sư chuyên nghiệp và những người nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn. Mục tiêu chính là cung cấp hiểu biết toàn diện về nguyên lý FEM, cách thức xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, và ứng dụng các công cụ phần mềm hiện đại để giải quyết các bài toán kỹ thuật thực tế.

II. Nội dung Chính của Phương pháp Phần tử Hữu hạn Rao

Cuốn "The Finite Element Method in Engineering" của Rao được chia thành hai phần chính: Giới thiệu và Quy trình Cơ bản. Phần giới thiệu bao gồm tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn, các ứng dụng trong kỹ thuật, và mô tả chung về quy trình FEM. Phần quy trình cơ bản đi sâu vào các khía cạnh kỹ thuật như rời rạc hóa miền, mô hình nội suy, phần tử bậc cao, và đạo hàm ma trận phần tử. Sách cung cấp các ví dụ chi tiết về bài toán một chiều với mô hình nội suy tuyến tính và ba chiều, cùng với các phương pháp đạo hàm tiếp cận trực tiếpphương pháp biến phân Rayleigh-Ritz.

2.1. Rời rạc hóa Miền và Hình dạng Phần tử

Chương 2 của tài liệu tập trung vào rời rạc hóa miền, bao gồm các hình dạng phần tử cơ bản, sơ đồ đánh số nút, và tạo lưới tự động. Quá trình này là bước đầu tiên và quan trọng trong phương pháp phần tử hữu hạn, xác định cách chia nhỏ miền phân tích thành các phần tử nhỏ hơn để tính toán chính xác.

2.2. Mô hình Nội suy và Phần tử Bậc cao

Các chương 3 và 4 thảo luận chi tiết về mô hình nội suy, đa thức nội suy, và phần tử bậc cao. Rao giải thích hàm nội suy đa thức dạng toàn cục và địa phương, phần tử đơn hình/phức hợp/đa hình, và cách sử dụng tọa độ tự nhiên để nâng cao độ chính xác của phân tích phần tử hữu hạn.

III. Ứng dụng Thực tiễn của Phương pháp Rao

Phương pháp phần tử hữu hạn của Singiresu S. Rao được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Cuốn sách cung cấp các ví dụ về ứng dụng trong phân tích tĩnh, phân tích động lực học, bài toán truyền sóng, và bài toán giá trị riêng. Các gói phần mềm phần tử hữu hạn thương mại như MATLAB được giới thiệu để hỗ trợ việc giải quyết các bài toán phức tạp. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật hàng không vũ trụ, và các ngành công nghiệp hiện đại khác, nơi mô phỏng sốphân tích kỹ thuật là cần thiết.

3.1. Các ứng dụng Kỹ thuật Cơ bản

Tài liệu của Rao trình bày các ứng dụng kỹ thuật trong phân tích kết cấu, vấn đề truyền nhiệt, và các bài toán cơ học chất lỏng. Mỗi ứng dụng được giải thích thông qua phương pháp biến phânđạo hàm ma trận phần tử, cho phép kỹ sư áp dụng FEM để giải quyết các vấn đề thực tế.

3.2. Sử dụng Phần mềm Thương mại

Chương 1 của sách bao gồm phần về các gói chương trình phần tử hữu hạn thương mạigiải pháp sử dụng phần mềm FEM. Sách hướng dẫn cách sử dụng các công cụ hiện đại để thực hiện phân tích phần tử hữu hạn hiệu quả, giúp chuyên gia giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp nhanh chóng.

IV. Tại sao Tài liệu của Singiresu S

Cuốn "The Finite Element Method in Engineering" phiên bản lần thứ năm được coi là một tài liệu chuẩn vì nhiều lý do. Thứ nhất, nó cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc kết hợp với ứng dụng thực tiễn cụ thể. Thứ hai, phương pháp trình bày của Rao từ bài toán đơn giản một chiều đến mô hình phức tạp nhiều chiều giúp sinh viên và chuyên gia dễ dàng tiếp cận. Thứ ba, sách được cập nhật liên tục để phản ánh những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực phương pháp phần tử hữu hạn. Cuối cùng, tài liệu này được sử dụng trong hàng trăm trường đại học và cơ quan nghiên cứu, làm cho nó trở thành quy chuẩn công nghiệp trong giáo dục kỹ thuật.

4.1. Giá trị Giáo dục của Tài liệu

Tài liệu của Singiresu S. Rao là nguồn tài nguyên giáo dục tuyệt vời với cấu trúc logic, các ví dụ minh họa rõ ràng, và bài tập thực hành. Nó giúp sinh viên hiểu sâu nguyên lý hoạt động của phương pháp phần tử hữu hạn và có khả năng áp dụng FEM vào các bài toán kỹ thuật thực tế.

4.2. Sự Công nhận Toàn cầu

Được xuất bản bởi Elsevier/Butterworth-Heinemann và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, tài liệu này được công nhận bởi cộng đồng kỹ thuật quốc tế. Nó là tài liệu tham khảo mà nhiều nhà khoa học, kỹ sư, và giảng viên tin tưởng để học tập và tham khảo trong lĩnh vực phương pháp phần tử hữu hạn.

22/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

The Finite Element Method in Engineering This page intentionally left blank The Finite Element Method in Engineering Fifth Edition Singiresu S. Rao Professor and Chairman Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of Miami, Coral Gables, Florida, USA AMSTERDAM • BOSTON • HEIDELBERG • LONDON NEW YORK • OXFORD • PARIS • SAN DIEGO SAN FRANCISCO • SINGAPORE • SYDNEY • TOKYO Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier Butterworth–Heinemann is an imprint of Elsevier 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803, USA The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, UK © 2011 Elsevier Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.

Details on how to seek permission, further information about the Publisher’s permissions policies and our arrangements with organizations such as the Copyright Clearance Center and the Copyright Licensing Agency, can be found at our web site: www. This book and the individual contributions contained in it are protected under copyright by the Publisher (other than as may be noted herein). Notices Knowledge and best practice in this field are constantly changing. As new research and experience broaden our understanding, changes in research methods, professional practices, or medical treatment may become necessary.

Practitioners and researchers must always rely on their own experience and knowledge in evaluating and using any information, methods, compounds, or experiments described herein. In using such information or methods they should be mindful of their own safety and the safety of others, including parties for whom they have a professional responsibility. To the fullest extent of the law, neither the Publisher nor the authors, contributors, or editors, assume any liability for any injury and/or damage to persons or property as a matter of products liability, negligence or otherwise, or from any use or operation of any methods, products, instructions, or ideas contained in the material herein. MATLAB® is a trademark of The MathWorks, Inc.

and is used with permission. The MathWorks does not warrant the accuracy of the text or exercises in this book. This book’s use or discussion of MATLAB® software or related products does not constitute endorsement or sponsorship by The MathWorks of a particular pedagogical approach or particular use of the MATLAB® software. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Application submitted.

British Library Cataloguing-in-Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library. ISBN: 978-1-85617-661-3 For information on all Butterworth–Heinemann publications, visit our web site at: www. Typeset by: diacriTech, Chennai, India Printed in the United States of America 10 11 12 13 14 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 This page intentionally left blank CONTENTS PREFACE. xiii PART 1 • Introduction CHAPTER 1 Overview of Finite Element Method .3 General Applicability of the Method .4 Engineering Applications of the Finite Element Method.5 General Description of the Finite Element Method .6 One-Dimensional Problems with Linear Interpolation Model.7 One-Dimensional Problems with Cubic Interpolation Model.8 Derivation of Finite Element Equations Using a Direct Approach .9 Commercial Finite Element Program Packages .10 Solutions Using Finite Element Software.

40 PART 2 • Basic Procedure CHAPTER 2 Discretization of the Domain .2 Basic Element Shapes .4 Node Numbering Scheme .5 Automatic Mesh Generation. 65 CHAPTER 3 Interpolation Models .2 Polynomial Form of Interpolation Functions.3 Simplex, Complex, and Multiplex Elements .4 Interpolation Polynomial in Terms of Nodal Degrees of Freedom .5 Selection of the Order of the Interpolation Polynomial .7 Linear Interpolation Polynomials in Terms of Global Coordinates .8 Interpolation Polynomials for Vector Quantities .9 Linear Interpolation Polynomials in Terms of Local Coordinates .10 Integration of Functions of Natural Coordinates. 109 CHAPTER 4 Higher Order and Isoparametric Elements .2 Higher Order One-Dimensional Elements .3 Higher Order Elements in Terms of Natural Coordinates .4 Higher Order Elements in Terms of Classical Interpolation Polynomials .5 One-Dimensional Elements Using Classical Interpolation Polynomials.6 Two-Dimensional (Rectangular) Elements Using Classical Interpolation Polynomials .8 Comparative Study of Elements. 148 CHAPTER 5 Derivation of Element Matrices and Vectors .3 Solution of Equilibrium Problems Using Variational (Rayleigh-Ritz) Method .4 Solution of Eigenvalue Problems Using Variational (Rayleigh-Ritz) Method .5 Solution of Propagation Problems Using Variational (Rayleigh-Ritz) Method .6 Equivalence of Finite Element and Variational (Rayleigh-Ritz) Methods.7 Derivation of Finite Element Equations Using Variational (Rayleigh-Ritz) Approach .8 Weighted Residual Approach .9 Solution of Eigenvalue Problems Using Weighted Residual Method.10 Solution of Propagation Problems Using Weighted Residual Method.11 Derivation of Finite Element Equations Using Weighted Residual viii (Galerkin) Approach .12 Derivation of Finite Element Equations Using Weighted Residual (Least Squares) Approach .13 Strong and Weak Form Formulations.

189 CHAPTER 6 Assembly of Element Matrices and Vectors and Derivation of System Equations.2 Assemblage of Element Equations.3 Incorporation of Boundary Conditions .5 Multipoint Constraints—Penalty Method .6 Symmetry Conditions—Penalty Method. 228 CHAPTER 7 Numerical Solution of Finite Element Equations .2 Solution of Equilibrium Problems .3 Solution of Eigenvalue Problems.4 Solution of Propagation Problems.5 Parallel Processing in Finite Element Analysis. 268 PART 3 • Application to Solid Mechanics Problems CHAPTER 8 Basic Equations and Solution Procedure .2 Basic Equations of Solid Mechanics.3 Formulations of Solid and Structural Mechanics .4 Formulation of Finite Element Equations (Static Analysis) .5 Nature of Finite Element Solutions. 303 CHAPTER 9 Analysis of Trusses, Beams, and Frames.2 Space Truss Element .4 Space Frame Element .5 Characteristics of Stiffness Matrices.

338 CHAPTER 10 Analysis of Plates .2 Triangular Membrane Element .3 Numerical Results with Membrane Element .4 Quadratic Triangle Element .5 Rectangular Plate Element (In-plane Forces) .6 Bending Behavior of Plates.7 Finite Element Analysis of Plates in Bending .8 Triangular Plate Bending Element .9 Numerical Results with Bending Elements .10 Analysis of Three-Dimensional Structures Using Plate Elements. 386 CHAPTER 11 Analysis of Three-Dimensional Problems.4 Analysis of Solids of Revolution. 413 CHAPTER 12 Dynamic Analysis.1 Dynamic Equations of Motion .2 Consistent and Lumped Mass Matrices .3 Consistent Mass Matrices in a Global Coordinate System .4 Free Vibration Analysis .5 Dynamic Response Using Finite Element Method .6 Nonconservative Stability and Flutter Problems. 461 PART 4 • Application to Heat Transfer Problems CHAPTER 13 Formulation and Solution Procedure .2 Basic Equations of Heat Transfer .3 Governing Equation for Three-Dimensional Bodies .4 Statement of the Problem .5 Derivation of Finite Element Equations.

480 CHAPTER 14 One-Dimensional Problems .2 Straight Uniform Fin Analysis .3 Convection Loss from End Surface of Fin .3 Tapered Fin Analysis .4 Analysis of Uniform Fins Using Quadratic Elements .5 Unsteady State Problems .6 Heat Transfer Problems with Radiation. 507 CHAPTER 15 Two-Dimensional Problems.3 Unsteady State Problems. 526 CHAPTER 16 Three-Dimensional Problems .3 Three-Dimensional Heat Transfer Problems.4 Unsteady State Problems. 541 PART 5 • Application to Fluid Mechanics Problems CHAPTER 17 Basic Equations of Fluid Mechanics .2 Basic Characteristics of Fluids .3 Methods of Describing the Motion of a Fluid .5 Equations of Motion or Momentum Equations .6 Energy, State, and Viscosity Equations .8 Inviscid Fluid Flow.

564 CHAPTER 18 Inviscid and Incompressible Flows .2 Potential Function Formulation .3 Finite Element Solution Using the Galerkin Approach .4 Stream Function Formulation. 584 CHAPTER 19 Viscous and Non-Newtonian Flows.2 Stream Function Formulation (Using Variational Approach) .3 Velocity–Pressure Formulation (Using Galerkin Approach) .4 Solution of Navier–Stokes Equations.5 Stream Function–Vorticity Formulation .6 Flow of Non-Newtonian Fluids. 607 PART 6 • Solution and Applications of Quasi-Harmonic Equations CHAPTER 20 Solution of Quasi-Harmonic Equations .2 Finite Element Equations for Steady-State Problems .3 Solution of Poisson’s Equation .4 Transient Field Problems. 622 CONTENTS PART 7 • ABAQUS and ANSYS Software and MATLAB®Programs for Finite Element Analysis CHAPTER 21 Finite Element Analysis Using ABAQUS.

632 CHAPTER 22 Finite Element Analysis Using ANSYS .2 GUI Layout in ANSYS .4 Finite Element Discretization .5 System of Units .6 Stages in Solution. 667 CHAPTER 23 MATLAB Programs for Finite Element Analysis .1 Solution of Linear System of Equations Using Choleski Method .2 Incorporation of Boundary Conditions .3 Analysis of Space Trusses.4 Analysis of Plates Subjected to In-plane Loads Using CST Elements .5 Analysis of Three-Dimensional Structures Using CST Elements .6 Temperature Distribution in One-Dimensional Fins .7 Temperature Distribution in One-Dimensional Fins Including Radiation Heat Transfer.8 Two-Dimensional Heat Transfer Analysis .9 Confined Fluid Flow around a Cylinder Using Potential xi Function Approach .10 Torsion Analysis of Shafts. 702 Appendix: Green-Gauss Theorem (Integration by Parts in Two and Three Dimensions). 707 This page intentionally left blank PREFACE The finite element method is a numerical method that can be used for the accurate solution of complex engineering problems.

Although the origins of the method can be traced to several centuries back, most of the computational details have been developed in mid-1950s, primarily in the context of the analysis of aircraft structures. Thereafter, within a decade, the potential of the method for the solution of different types of applied science and engineering problems was recognized. Over the years, the finite element technique has been so well established that today, it is considered to be one of the best methods for solving a wide variety of practical problems efficiently. In addition, the method has become one of the active research areas not only for engineers but also for applied mathematicians.

One of the main reasons for the popularity of the method in different fields of engineering is that once a general computer program is written, it can be used for the solution of a variety of problems simply by changing the input data. APPROACH OF THE BOOK The objective of writing this book is to introduce the various aspects of the finite element method as applied to the solution of engineering problems in a systematic and simple manner. It develops each of the techniques and ideas from basic principles. New concepts are illustrated with simple examples wherever possible.

An introduction to commercial software systems, ABAQUS and ANSYS, including some sample applications with images/ xiii output, is also presented in two separate chapters. In addition, several MATLAB programs are given along with examples to illustrate the use of the programs in a separate chapter. After studying the material presented in the book, the reader will not only be able to understand the current literature on the finite element method but also be in a position to solve finite element problems using commercial software such as ABAQUS and ANSYS, use the MATLAB programs given in the book to solve a variety of finite element problems from different areas, and, also, if needed, be able to develop short programs for the solution of engineering problems. NEW TO THIS EDITION In this edition some topics are modified and rewritten, and many new topics are added.

Most of the modifications and additions were suggested by the users of the book and by reviewers. Some important features of the current edition are the following: ● 135 illustrative examples are included compared to 37 in the previous edition. ● 680 problems are included compared to 350 in the previous edition. The solution of most of the problems is given in the Solutions Manual available to instructors who use the book as a textbook.

● 10 MATLAB programs, available at the web site of the book, are given for the solution of different types of finite element problems. ● Expanded coverage of finite element applications to different areas of engineering is given. ● Several new concepts and topics such as patch test, strong and weak formulations, penalty method, multipoint constraints, symmetry conditions, rigid elements and quadratic triangle element and rectangular element under inplane loads are presented with examples. PREFACE ORGANIZATION The book is divided into 23 chapters and an appendix.

Chapter 1 gives an introduction and overview of the finite element method. The basic approach and the generality of the method are illustrated through several simple examples. Chapters 2 through 7 describe the basic finite element procedure and the solution of the resulting equations.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ