本书在介绍有限元理论基础及基本分析方法的基础上，基于国产CAE仿真软件ZWSim，对结构力学、热传导、动力学及非线性问题的有限元分析过程进行具体的介绍。读者通过对有限元方法理论和具体软件分析过程的同步学习，可以真正理解有限元方法的本质，更好地应用国产CAE仿真软件解决实际的工程问题。
当今世界正经历百年未有之大变局。国家综合实力由工业保障，工业发展由工业软件驱动。工业软件正在重塑工业巨人之魂。
习近平总书记在2021年5月28日召开的两院院士大会、中国科协第十次全国代表大会上发表了重要讲话：科技攻关要坚持问题导向，奔着紧急、紧迫的问题去。要从国家急迫需要和长远需求出发，在石油天然气、基础原材料、高端芯片、工业软件、农作物种子、科学试验用仪器设备、化学制剂等方面关键核心技术上全力攻坚，加快突破一批药品、医疗器械、医用设备、疫苗等领域关键核心技术。
国家领导人将工业软件定位于紧急、紧迫的问题，是国家急迫需要和长远需求的关键核心技术，史无前例，开国首次，彰显了国家对工业软件的高度重视。机械工业出版社此次领衔组织出版这套工业软件丛书，秉持系统性、专业性、全局性、先进性的原则，开展工业软件生态研究，探索工业软件发展规律，反映工业软件全面信息，汇总工业软件应用成果，助力产业数字化转型。这套丛书是以实际行动落实国家意志的重要举措，意义深远，作用重大，正当其时。
本丛书分为产业研究与生态建设、技术产品、支撑环境三大类。
在工业软件的产业研究与生态建设大类中，列入了工业技术软件化专项研究、工业软件发展生态环境研究、工业软件分类研究、工业软件质量与可靠性测试、工业软件的标准和规范研究等内容，希望从顶层设计的角度让读者清晰地知晓，在工业软件的技术与产品之外，还有很多制约工业软件发展的生态因素。例如工业软件的可靠性、安全性测试，还没有引起业界足够的重视，但是当工业软件越来越多地进入各种工业品中，成为软零件软装备之后，工业软件的可靠性、安全性对各种工业品的影响将越来越重要，甚至就是一票否决式的重要。至于制约工业软件发展的政策、制度、环境，以及工业技术的积累等基础性的问题，就更值得予以认真研究。
工业软件的技术与产品大类是一个生机勃勃、不断发展演进的庞大家族。据不完全统计，工业软件大约有近2万种之多。面对如此庞大的工业软件家族，如何用一套丛书来进行一场小样本、大视野、深探底的表述，是一个巨大的挑战。就连工业软件术语本身，也是在初没有定义的情况下，伴随着工业软件的不断发展而逐渐产生的，形成了一个用于工业过程的所有软件的基本共识。如果想准确地论述工业软件，从范畴上说，要从国家统计局所定义的工业门类出发，把应用在矿业、制造业、能源业这三大门类中的所有软件都囊括进来，而不能仅仅把目光放在制造业一个门类上；从分类上说，既要顾及现有分类（如CAX、MES等），也要着眼于未来可能的新分类（如工研软件、工管软件等）；从架构上说，既要顾及传统架构的软件（如ISA95），也要考虑到基于云架构的订阅式（如SaaS）软件；从所有权上说，既要考虑到商用软件，也要考虑到自用软件（in-house software）；等等。本丛书力争做到从不同的维度和视角，对各种形态的工业软件都能有所展现，勾勒出一幅工业软件的中国版图，尽管这种展现与勾勒，很可能是粗线条的。
工业软件的支撑环境是一个不可缺失的重要内容。无论是数据库、云技术、材料属性库、图形引擎、过程语言还是工业操作系统等，都是支撑各种形态的工业软件实现其功能的基础性的数字底座。基础不牢，地动山摇，遑论自主，更无可控。没有强大的工业软件所需要的运行支撑环境，就没有强大的工业软件。因此，工业软件的数字底座是一项必须涉及的重要内容。
长期以来，缺芯少魂一直困扰着中国企业及产业高质量发展。特别是从2018年以来，强加在很多中国企业头上的贸易摩擦展现了令人眼花缭乱的花式断供，仅芯片断供或许就能导致某些企业停产。芯片断供尚有应对措施来减少损失，但是工业软件断供则是直接阉割企业的设计和生产能力。没有工业软件这个基础性的数字化工具和软装备，就没有工业品的设计和生产，社会可能停摆，企业可能断命，绝大多数先进设备可能变成废铜烂铁。工业软件对工业的发展具有不可替代、不可或缺、不可估量的支撑、提振与杠杆放大作用，已经日益为全社会所切身感受和深刻认知。
该丛书的面世，或将揭开蒙在工业软件头上的神秘面纱，厘清工业软件发展规律。更重要的是，该丛书将会激励中国的工业软件从业者，充分发挥可上九天揽月，可下五洋捉鳖的想象力、执行力和战斗力，让每一行代码、每一段程序，都谱写出、硬核的时代篇章，让中国的工业软件产业就此整体发力，急速前行，攻坚克难，携手创新，使我国尽快屹立于全球工业软件强国之林。
丛书编委会
2021年8月
丛书前言
前言
第1章 概述
1.1 有限元方法的历史和发展过程 / 1
1.2 CAE工业软件的产生及发展 / 6
1.3 中望仿真软件 / 8
第2章 有限元方法的理论基础
2.1 有限元方法的基本思想 / 10
2.2 有限元方法的数学基础 / 11
2.2.1 微分方程的等效积分形式 / 11
2.2.2 加权余量法 / 13
2.2.3 里兹法 / 14
2.3 有限元方法的力学基础 / 16
2.3.1 弹性力学的基本方程 / 16
2.3.2 虚位移原理 / 19
第3章 杆梁结构有限元法
3.1 杆单元 / 22
3.1.1 位移函数及形函数 / 23
3.1.2 几何关系及物理关系 / 25
3.1.3 刚度方程 / 26
3.1.4 坐标变换 / 27
3.1.5 总刚矩阵 / 30
3.2 梁单元 / 30
3.2.1 位移函数及形函数 / 31
3.2.2 刚度矩阵 / 35
3.2.3 等效节点载荷 / 37
第4章 平面问题有限元法
4.1 平面问题的定义 / 39
4.1.1 平面应力问题 / 39
4.1.2 平面应变问题 / 41
4.2 结构离散 / 42
4.3 三角形单元 / 43
4.3.1 位移函数及形函数 / 43
4.3.2 几何关系及物理关系 / 48
4.3.3 刚度方程 / 49
4.3.4 总刚矩阵 / 51
4.3.5 等效节点载荷 / 52
4.3.6 几何约束处理 / 55
4.3.7 线性方程组求解 / 56
第5章 空间问题有限元法
5.1 位移函数及形函数 / 58
5.2 几何关系及物理关系 / 60
5.3 单元刚度矩阵 / 62
第6章 等参单元
6.1 等参变换 / 64
6.1.1 坐标变换 / 64
6.1.2 偏导数变换 / 65
6.1.3 单元刚度矩阵 / 67
6.2 等参变换的条件 / 68
6.3 数值积分 / 69
6.3.1 牛顿-科茨积分 / 70
6.3.2 高斯积分 / 71
第7章 ZWSim平台及仿真实例
7.1 ZWSim Structural介绍 / 74
7.2 ZWSim Structural仿真分析过程 / 77
7.3 ZWSim Structural静力学仿真实例 / 83
第8章 热传导问题
8.1 热传导问题基本方程 / 99
8.2 有限元分析过程 / 101
8.3 ZWSim仿真分析实例 / 105
8.3.1 实例一：功率器件散热器的稳态传热分析 / 105
8.3.2 实例二：热压板的瞬态传热分析 / 112
第9章 动力学问题
9.1 动力学问题基本方程 / 122
9.2 有限元分析过程 / 123
9.3 ZWSim仿真分析实例 / 129
9.3.1 实例一：发电机支架的模态分析 / 129
9.3.2 实例二：发电机支架的谐响应分析 / 138
9.3.3 实例三：发电机支架的响应谱分析 / 152
第10章 结构稳定性问题
10.1 稳定性问题的有限元解法 / 171
10.2 ZWSim仿真分析实例 / 174
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