Python与有限元--基于Python编程的有限元分析及应用扩展 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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裴尧尧，肖衡林，马强，李丽华 著

图书标签:

• Python
• 有限元
• FEM
• 科学计算
• 数值分析
• 工程分析
• Python编程
• 结构力学
• 计算力学
• 应用开发

出版社： 中国水利水电出版社

ISBN：9787517053705

版次：1

商品编码：12297664

包装：平装

开本：16

出版时间：2017-12-01

用纸：胶版纸

页数：272

字数：323000

编辑推荐

有限元编程，也可以很简单

高效、易用、免费、开源

7行实现混合单元系统刚度矩阵组装

原创有限元分析框架

简易快速自定义单元、求解方案及子包（扩展到其他领域）

程序推导单元矩阵

源程序和例题程序文件免费提供

强大的第三方包支持

Numpy——快速矩阵运算

Scipy.sparse——快速稀疏矩阵运算

Matplotlib——绘制精美图表(前、后处理)

Meshpy——实现高质量网格划分

扫描二维码看视频讲解，让学习变得更容易

内容简介

有限元是当今工程分析中应用非常广泛的数值计算方法。《Python与有限元》以结构分析为主题，介绍了基于Python编程的有限元分析开源框架（被作者命名为Feon）的搭建过程和扩展方法。全书分为5章，主要内容包括Python、Numpy（Python著名的矩阵运算库）和Matplotlib（Python著名的二维绘图库）简介，Feon框架介绍及结构分析报Feon.sa（structural analysis）的搭建过程，Feon中自带单元的定义和应用，如何自定义单元、求解函数（以计算结构动力学固有频率和振型为例）、包（以渗透分析为例，定义和包FFa（fluid flow analysis），以及Python进行有限元编程方面的建议。书中所有的程序均在Python2.7上测通过，并用二维码引入Python视频讲解。

目录

第1章 编程基础——Python、Numpy、Matplotlib简介

1.1 Python简介

1.1.1 什么是Python

1.1.2 Python及其库安装

1.1.3 Python入门知识

1.1.4 Python导入模块

1.2 Numpy简介

1.3 Matplotlib简介

第2章 有限元分析的一般过程——搭建Feon框架

2.1 什么是Feon

2.2 Feon框架介绍

2.3 节点

2.3.1 Feon.base.NodeBase类

2.3.2 Feon.sa.node.Node类

2.4 单元

2.4.1 Feon.base.ElementBase类

2.4.2 Feon.sa.element.StructElement类

2.4.3 Feon.sa.element.SoildElement类

2.5 系统

2.5.1 Feon.base.SystemBase类

2.5.2 Feon.sa.system.System类

2.5.3 节点与单元编号

2.5.4 单元刚度矩阵组装

2.5.5 施加边界条件

2.5.6 联立线性方程组

2.5.7 求解系统

第3章 Feon.sa中自带单元类型定义过程及其应用

3.1 弹簧单元

3.1.1 一维弹簧单元

3.1.2 二维弹簧系统

3.1.3 三维弹簧单元

3.2 杆单元

3.2.1 一维杆单元

3.2.2 二维杆单元

3.2.3 三维杆单元

3.3 梁单元

3.3.1 一维梁单元

3.3.2 二维梁单元

3.3.3 三维梁单元

3.4 三角形实体单元

3.5 四面体实体单元

第4章 快速自定义

4.1 自定义单元

4.1.1 二次杆单元

4.1.2 自由度释放的梁单元

4.1.3 高斯�怖杖玫率�值积分函数

4.1.4 四边形实体单元

4.1.5 四边形Mindlin板单元

4.1.6 六面体实体单元

4.2 自定义求解函数

4.3 自定义包——渗流分析

4.3.1 节点

4.3.2 单元

4.3.3 系统

第5章 编程建议

5.1 推导单元矩阵

5.1.1 杆单元

5.1.2 三角形单元

5.2 前处理

5.2.1 自定义生成器

5.2.2 自定义类

5.2.3 应用第三方库

5.3 后处理

5.3.1 绘制模型示意图

5.3.2 获取节点和单元信息

5.4 提速

5.4.1 Python/C 混合编程

5.4.2 Scipy.sparse的应用

参考文献

Python与有限元——一本探索计算科学新视角的深度指南 在现代科学与工程领域，数值模拟已成为不可或缺的工具，其核心驱动力在于对复杂物理现象进行精确、高效的描述与预测。其中，有限元方法（Finite Element Method, FEM）凭借其强大的处理几何复杂性、边界条件以及非均匀材料的能力，在结构力学、流体动力学、电磁场分析、热传导等众多学科中扮演着至关重要的角色。同时，Python语言以其简洁易读的语法、丰富的第三方库以及活跃的社区支持，正日益成为科学计算领域的主流选择，为研究人员和工程师提供了前所未有的灵活性和效率。 本书《Python与有限元——基于Python编程的有限元分析及应用扩展》并非仅仅是一本介绍有限元方法的教材，更是一本引领读者深入理解计算科学精髓、掌握现代化编程工具的实践指南。它将理论的严谨性与实践的灵活性巧妙结合，旨在为那些渴望跨越理论与应用鸿沟的研究者、工程师、高年级本科生及研究生提供一条清晰且富有启发性的学习路径。 本书的核心价值与特色： 本书最大的亮点在于其“Python驱动”的有限元方法论。我们不回避有限元方法的数学基础，但更强调如何将这些抽象的数学概念转化为可执行、可调试、可扩展的Python代码。这意味着读者将有机会亲手构建、修改并运行有限元求解器，从而建立起对算法的深刻直观理解，而非仅仅停留在概念层面。 理论与实践的无缝融合： 本书在阐述有限元方法基本原理时，会同步展示相应的Python实现。例如，在讲解离散化、单元刚度矩阵组装、载荷向量构建等关键步骤时，会提供清晰的代码片段，并辅以图示和详细的解释，帮助读者理解理论是如何映射到实际计算过程中的。这种“边学边练”的学习模式，将极大提升学习效率和知识的吸收程度。 Python生态的深度利用： Python的强大之处在于其丰富且高度优化的第三方库。本书将充分挖掘这些库的潜力，例如： NumPy：作为数值计算的基础，NumPy的高效数组操作将是实现矩阵运算、向量计算的基石。读者将学习如何利用NumPy进行高效的内存管理和并行计算。 SciPy：在科学计算方面，SciPy提供了大量的高级函数，如线性代数求解器、积分、插值等，这些都将为有限元方法的实现提供强大的支持。 Matplotlib/Plotly：数据可视化是理解和呈现计算结果的关键。本书将指导读者如何使用Matplotlib或Plotly创建高质量的二维和三维图形，用于展示模型网格、应力分布、位移云图等，直观地揭示物理现象。 SymPy：对于一些解析推导和符号计算，SymPy将是一个非常有用的工具，它能够帮助我们自动推导单元刚度矩阵等，减少手工推导的错误，并加深对公式的理解。 VTK/Mayavi：对于更复杂的后处理和三维可视化需求，如三维网格生成、复杂几何体的渲染等，本书也会触及相关的解决方案。 面向对象的编程范式： 本书将采用面向对象的编程思想来构建有限元求解器。这意味着读者将学习如何将有限元模型中的各个组件，如单元、节点、材料属性、边界条件等，封装成独立的类。这种设计不仅使得代码结构更加清晰、模块化，易于维护和扩展，也能够很好地映射到实际工程问题的对象化描述。读者将学会如何设计可重用、可组合的有限元求解器组件。 从基础到进阶的循序渐进： 本书的结构设计旨在满足不同层次读者的需求。 基础部分将从最简单的二维问题入手，如一维杆件的轴向应力分析、二维梁的弯曲问题，逐步建立起读者的基本概念和编程框架。 进阶部分将进一步探讨更复杂的问题，例如二维弹性力学、热传导问题，以及如何处理更复杂的几何形状和边界条件。 应用扩展部分将引导读者探索有限元方法在更广泛领域的应用，并介绍一些高级技术，如自适应网格细化、非线性问题求解、并行计算策略等。 注重实际应用与工程启发： 本书内容紧密结合实际工程应用。我们将通过分析典型的工程算例，如桥梁结构应力分析、航空发动机部件的热应力分析、电子元件的电磁场分布等，来展示有限元方法在解决实际问题中的威力。同时，本书也将引导读者思考如何根据具体的工程需求，对现有的有限元模型和求解器进行定制和扩展，从而解决个性化的问题。 启发式的问题解决与创新思维： 在学习过程中，本书会提出一系列引导性问题，鼓励读者思考算法的优缺点、计算效率的提升途径以及如何将有限元方法应用于新的领域。这种启发式的教学方式，旨在培养读者的批判性思维和创新能力，使其能够独立解决更具挑战性的计算科学问题。 本书将涵盖的关键技术与概念： 有限元方法的核心理论： 变分原理与伽辽金法 基函数与插值多项式 单元刚度矩阵的推导与组装 载荷向量的构建 边界条件的施加（本质边界条件与自然边界条件） 求解线性方程组的方法 Python编程实践： NumPy数组操作与线性代数 SciPy库在有限元计算中的应用 Matplotlib/Plotly进行结果可视化 面向对象的设计模式在有限元代码中的体现 文件I/O与数据管理 典型工程问题的Python有限元实现： 一维问题：杆件轴向应力、热传导 二维问题：平面应力/应变、梁的弯曲、稳态/瞬态热传导 边界条件的多样性与处理技巧 进阶主题与应用扩展： 网格生成技术概述 高阶单元的使用 非线性问题的数值求解方法（如牛顿-拉夫逊法） 并行计算与分布式计算的初步探讨 将有限元方法与机器学习等新兴技术结合的思路 如何利用Python扩展现有商业有限元软件的功能（如通过API接口） 本书的目标读者： 本书内容充实，逻辑严谨，既适合初学者建立坚实的有限元基础，也适合有一定基础的研究者和工程师深入挖掘Python在有限元分析中的潜力。 对有限元方法感兴趣的在校学生： 无论是机械工程、土木工程、航空航天、材料科学、生物医学工程还是计算数学专业的学生，都可以通过本书掌握有限元的基本理论与Python实现。 从事数值模拟与工程计算的工程师： 希望利用Python强大的工具链提升工作效率，实现更灵活、定制化的仿真分析。 需要进行科学计算的研究人员： 寻求一种高效、灵活的编程方式来实现复杂的数值模拟，并探索新的研究方向。 对计算科学和编程技术有热情的业余爱好者： 想要深入了解科学计算的魅力，并通过实践掌握一项硬核技能。 结语： 《Python与有限元——基于Python编程的有限元分析及应用扩展》是一本集理论深度、实践广度与技术前沿性于一体的力作。它将带领读者踏上一段激动人心的计算科学探索之旅，在掌握有限元这一强大分析工具的同时，也能够熟练运用Python这一现代编程语言，为解决当今复杂的工程与科学挑战，以及探索未来的无限可能，奠定坚实的基础。通过本书的学习，您将不仅能够理解“如何”进行有限元分析，更能深刻领悟“为何”这样做，从而成为一名更具创造力和解决问题能力的计算科学家。

评分☆☆☆☆☆

我对《Python与有限元--基于Python编程的有限元分析及应用扩展》这本书的标题感到十分好奇。作为一个对工程模拟和数值计算有着强烈好奇心的人，我一直对有限元方法（FEM）的强大能力有所耳闻，但同时也觉得其理论体系较为复杂，不易入门。我猜测这本书的最大亮点在于它将Python这一现代编程语言引入到有限元分析的学习过程中。我期待书中能提供清晰的流程，从基础的离散化概念开始，逐步讲解如何利用Python代码实现网格生成、单元刚度矩阵的推导与组装、整体方程的建立以及最终的求解和后处理。我希望书中能够包含丰富的代码示例，并且这些代码都是可以直接运行并验证的。更重要的是，我对“应用扩展”这一部分充满了期待，我希望通过这本书，我能够了解到如何将基本的有限元模型推广到更复杂的工程问题中，例如如何处理非线性材料、如何进行动态响应分析、或者如何集成其他领域的数值方法。这本书的出现，似乎为我提供了一条更便捷、更具实践性的路径，去深入理解和掌握有限元方法。

评分☆☆☆☆☆

我最近了解到一本关于《Python与有限元--基于Python编程的有限元分析及应用扩展》的书，这本书的标题让我眼前一亮。作为一名对计算科学和工程应用都抱有浓厚兴趣的普通读者，我一直渴望能够找到一本既能系统介绍复杂理论，又能结合现代编程工具的书籍。有限元方法以其强大的求解能力，在解决实际工程问题中扮演着核心角色，但其理论体系的严谨和数学的抽象性，常常让初学者望而却步。我猜测这本书的作者，一定花费了大量心思，试图将有限元的核心概念，如离散化、变分原理、形函数等，通过Python的语法和数据结构，进行生动形象的解读。我非常期待书中能够提供一些精心设计的案例，从简单的二维梁或板的分析，逐步过渡到更复杂的结构或传热问题。更重要的是，我希望通过学习这本书，我能够掌握使用Python构建自定义有限元求解器的基本框架，从而不再仅仅依赖于现成的商业软件，而是能够根据自己的研究需求，灵活地进行修改和扩展。这种“授人以渔”式的教学方法，对于培养独立解决问题的能力，将是无价的。

评分☆☆☆☆☆

最近偶然间翻阅了一本名为《Python与有限元--基于Python编程的有限元分析及应用扩展》的书，虽然我并非专业背景出身，但其书名所传达的“Python + 有限元”的结合点，立刻引起了我的兴趣。我一直认为，学习编程语言的最好方式之一，便是将其应用到某个具体的、具有挑战性的领域。而有限元方法，作为一种强大的数值计算工具，在工程、物理等众多领域都有着举足轻重的地位。这本书的出现，似乎为我打开了一扇新的大门，让我可以借由Python这门易于上手的语言，去探索和理解复杂的有限元理论及其在实际问题中的应用。我设想，这本书或许会深入浅出地讲解有限元的基本原理，例如单元的建立、插值函数的选择、刚度矩阵的组装等等，并且会详细阐述如何用Python来实现这些步骤。我很期待看到书中能够提供清晰的代码示例，能够一步步地引导读者完成从理论到实践的转换。甚至，我隐约觉得，这本书可能不仅仅停留在基础的理论讲解，而是会进一步探讨如何通过Python的灵活性，去实现一些更高级的分析，比如非线性问题、动态分析，甚至是更具挑战性的领域，这无疑增加了我对这本书的期待值。

评分☆☆☆☆☆

我最近注意到一本叫做《Python与有限元--基于Python编程的有限元分析及应用扩展》的书，我对它的潜在价值感到非常好奇。在我的认知里，有限元方法是解决复杂的偏微分方程问题的强大工具，尤其是在工程领域的应用，例如结构力学、流体力学、热传导等。然而，学习有限元往往需要扎实的数学功底和对专业软件的熟悉，对于非专业出身的我来说，这构成了一定的门槛。这本书名中的“Python编程”部分，引起了我的极大兴趣。我一直认为，Python以其简洁易读的语法和丰富的库资源，能够极大地降低科学计算的学习曲线。我猜测这本书会巧妙地将Python的强大功能与有限元的核心算法相结合，为读者提供一种全新的学习体验。我期待书中能够详细阐述如何利用NumPy、SciPy等科学计算库，高效地实现有限元方程的组装、求解以及结果的可视化。此外，我对“应用扩展”这一部分尤为感兴趣，它暗示着这本书不仅仅局限于基础理论，而是会带领读者探索如何将有限元方法应用于更广泛的领域，甚至进行二次开发，这对于我这样希望将所学知识融会贯通的人来说，无疑具有巨大的吸引力。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对交叉学科探索充满热情的研究者，我近期关注到了一本题为《Python与有限元--基于Python编程的有限元分析及应用扩展》的书籍。有限元分析，一项在多物理场仿真中不可或缺的计算技术，其理论深度和应用广度都令我着迷。然而，传统的学习路径往往侧重于数学理论和特定商业软件的掌握，这在一定程度上限制了其在个性化研究和新领域探索中的发展。我推测，这本书的核心价值在于其打破了这种限制，通过Python这一灵活且功能强大的编程语言，为有限元方法的学习和应用提供了一个全新的平台。我迫切想知道书中是如何将繁杂的数学公式转化为可执行的Python代码，从而让读者能够直观地理解有限元法的内在机制。我非常期待书中能够展示如何构建模块化的有限元框架，使得用户能够方便地更换不同的单元类型、插值函数，甚至实现自定义的边界条件和载荷施加方式。这种开放式的编程思路，对于推动有限元方法在新兴交叉学科（如生物力学、材料科学等）的应用，必将产生深远的影响。