前言

近年来，随着我国对装备制造业产品需求的不断提升，对产品结构的综合性能指标要求也不断增强，制造企业急需在这些新产品研发过程中缩短周期和降低成本，这导致设计阶段的科学计算任务越来越精细与繁重，科学计算已经成为新产品设计过程中不可或缺的手段。

顺理成章地，需要创建一个与上述需求背景相匹配的科学计算平台。该平台需要三个必要条件：合适的计算机硬件、科学的计算软件、从事建模计算的工程研究人员。进一步的问题是，如何从三个必要条件凝聚出较高的产品附加值？这个问题的答案并不唯一，主要原因在于“计算模型的不唯一性”，或计算模型的构造及其质量因人而异。的确，同一个问题，每个工程师和每个研究人员独立建立的模型千差万别，这与他们的学术素养和工程经验密切相关，能否找到一个学习的途径，使大家向着可能最好的建模方向缩小他们之间差距呢？

当前在这个领域，配置性能再高的计算机硬件，也只能提高求解的速度与扩大求解的规模；计算软件的智能化程度再高，也只能提高建模效率与扩充求解功能。然而，面对复杂载荷条件下的复杂结构，如何有效地创建一个高质量的计算模型，使得结构载荷响应的数值分析结果能够对设计方案给出置信度较高的评价并给出改善的建议？这依赖于建模人员，他们需要具备将结构性能数值评估的理论、方法、建模互相渗透和融会贯通的能力。

令人遗憾的是，至少在当前，虽然可以找到大量的有限元法结构数值分析等专著，但是除理论之外关于建模内容的讨论并不多，这因为它们是理论专著的缘故；尽管各种结构数值分析软件的使用手册琳琅满目，但是除了操作步骤细节外，涉及如何建模的讨论也不多，因为它们是操作手册的缘故。

鉴于此，我们萌生了一个想法，写一本强化建模内容的书，该书内容将介于结构数值分析的理论专著与结构数值分析软件的使用手册之间，为缩小建模差距提供学习资料，从而使大家向着可能最好的方向建立计算模型。幸运的是，在20多年的教学与科研实践中，我们积累了一些有益的体验，而且在与相关人员一起切磋建模的过程中，感性经验不断地提升为理性的结论，这就构成了编写本书的基本出发点。

古人说：“授人以鱼不如授人以渔”，本着这一精神，对本书的内容进行了递进安排。第一部分主要研讨结构性能数值分析中硬件、软件，理论、方法与建模之间的内在联系，以及结构性能数值分析模型中的基本方程与数据链。第二部分主要研讨结构性能数值分析过程中若干建模原则与建模方法。第三部分，基于第一与第二部分中讨论过的内容，从我们已经完成的工程项目中挑选一些有代表性的实例，给出结构性能数值分析过程中的建模体验，从而给读者一些建模启迪。第四部分是附属内容，既有有限元软件的编写，也有关于商业软件二次开发的实例，从而为结构性能数值分析方法的再创新提供示范，让手头已有的软件增添专业特色。

全书这四部分内容共设计了11章。第1章讨论了数值分析与产品结构设计的关系，以及结构性能数值分析的理论内核与建模的关系，同时介绍了编写本书的基本目的。第2章不拘泥于具体的产品类型，而是从结构中提取出具有共性力学特征的典型结构要素，讨论了它们的承载传力特征。第3章讨论了结构性能分析的力学模型中的微分方程与数据链，涉及二维平面问题、三维空间体问题、薄板小挠度弯曲问题以及若干非线性问题，其中包括接触问题、屈曲问题。第4章讨论了结构动力学模型中的微分方程与求解过程，其中包括刚柔耦合问题。第5章是本书的核心内容之一，以结构位移有限元法理论为指引，重点讨论了在有限元法数值求解过程中数据的加工、转化、衍生与流动的基本规律，并以算例证明建模过程中单元离散的不唯一性。第6章基于焊接结构疲劳寿命评估的最新理论与方法，讨论了基于结构应力法编写计算弧焊、点焊焊接结构疲劳寿命的程序设计基础。第7章也是本书的核心内容，重点研讨了建模技术，其中包括在实际应用中总结出来的建模原则、建模方法、建模纠错等。第8章研讨了结构性能的灵敏度分析技术，以及如何运用灵敏度信息寻找被评估结构的改进方向。第9章与第10章是本书的第三个核心内容，以结构性能数值分析的15个工程实例为载体，重点研讨了可与读者共同分享的分类建模体验，这些体验均来自工程结构的建模有效性，不仅有静力学实例、动力学实例、非线性实例，还有与结构相关的计算流体力学实例以及焊接结构疲劳寿命评估实例。第11章首先给出了一个简单但是“五脏俱全”的有限元程序编写的源代码，如果读者能照此动手编写，将会获得与使用现成程序不一样的体验。第11章还给出了利用商用软件的内部与外部开发工具进行二次开发的两个实例，这些实例试图激发读者的创新能力。

多年来，我的科研团队有一个突出的工作特点，即互帮互学已成习惯，因此我很难区分哪一章是由哪一个人独立完成的。整本书的统稿工作由我完成，由我团队的特聘教授、北京工业大学的计算固体力学专家隋允康先生完成审稿工作，他在审稿过程中为本书的某些章节增添了一些新颖的学术思想。

荀子说：“善学者尽其理，善行者究其难。”这是我们编写这本书的基本理念。虽然本书大部分内容及工程应用实例出自轨道车辆产品的分析，但是它们所涉及的理论、方法与建模技术，也完全适用于其他产品结构的建模。

曾经有经济学家这样讲过：“产品附加值的提升过程，应该是不断地向原材料里追加知识与信息的过程。”因此我们殷切希望读者能够将书中的体验转化为产品附加值的提升。就算这个提升很微小，那也成全了我召集这么多同仁用两年多时间编写这本书的唯一心愿。