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1、1,第2部分有限元分析及应用 Finite Element Analysis and Applications,2,第6章有限元法的基本概念,3,在工程技术领域内，经常会遇到两类典型的问题。第一类问题，可以归结为有限个已知单元体的组合。例如，材料力学中的连续梁、建筑结构框架和桁架结构。这类问题称为离散系统。如下图所示平面桁架结构，是由6个承受轴向力的“杆单元”组成。,6.1工程和科学中典型问题,4,第二类问题，通常可以建立它们应遵循的基本方程，即微分方程和相应的边界条件。例如弹性力学问题，热传导问题等。由于建立基本方程所研究的对象通常是无限小的单元，这类问题称为连续系统，或场问题。,尽管已经建
2、立了连续系统的基本方程，由于边界条件的限制，通常只能得到少数简单问题的精确解答。对于许多实际的工程问题，还无法给出精确的解答。为解决这个困难，工程师们和数学家们提出了许多近似方法。,6.1工程和科学中典型问题,5,6.2场问题的一般描述,实例：二维热传导（稳态）问题,原理：从两个方向传入微元体的热量与微元体内热源产生的热量Q平衡,基本方程：边界条件：,6,6.3场问题的求解策略及方法,求解策略1、直接法：求解基本方程和相应定解条件的解；2、间接法：基于变分原理，构造基本方程及相应定解条件的泛函形式，通过求解泛函的极值来获得原问题的近似解。即将微分形式转化与其等价的泛函变分的积分形式。求解方法1
3、、解析或半解析法：2、数值法：A）基于直接法的数值法，如差分法；B）基于间接法的数值法，如等效积分法（如里兹法）、有限元法等。,7,数值计算方法分类,8,先将求解域离散为有限个单元，单元与单元只在节点相互连接；-即原始连续求解域用有限个单元的集合近似代替每个单元选择一个简单的场函数近似表示真实场函数在其上的分布规律，该简单函数可由单元节点上物理量来表示-通常称为插值函数或位移函数基于问题的基本方程，建立单元节点的平衡方程（即单元刚度方程）借助于矩阵表示，把所有单元的刚度方程组合成整体的刚度方程，这是一组以节点物理量为未知量的线形方程组，引入边界条件求解该方程组即可。,6.4有限元法基本思想,9
4、,有限元法基本思想,10,节点位移向量表示：节点力向量表示：节点1沿x方向的位移、其余节点位移全为0时轴向压力为：,实例1:(1)求右图离散结构2的点位移,11,同理，节点2作用于单元1上的力，其大小与之相等，方向相反，x和y方向的分量分别记为：,注：表示第e个单元的第j个自由度产生单位位移，而其它自由度上的位移为零时，第i个自由度上所受的力。常称其为单元的刚度系数。,实例1:(2)单元分析,节点1作用于单元1上的力，在x和y方向的分量分别为：,12,单元2节点力平衡方程,实例1:(2)单元分析,同理可求 分别作单位位移时相应的刚度系数，考虑到节点的实际受力为 和实际位移为，则据各个节点节点力
5、平衡得：,13,结合前式推导得：,实例1:(3)整体分析,整体分析：作用于每个节点上的节点力平衡，即,14,整体矩阵记为：,求解上述整体方程，可得问题的节点位移。,实例1:(4)引入约束求解,将 代入可得整体方程,15,实例2连续问题,例：求等截面直杆在自重作用下的拉伸。图(a)中单位杆长重量为q，杆长为L，截面面积为A，弹性模数为E。,16,实例2,材料力学方法求解直杆拉伸：考虑微段dx，内力 N=q(L-x)dx的伸长为：x截面上的位移：根据几何方程求应变，物理方程求应力。这里应变：应力：,17,i,L,1,i,L,+,图 2-3,i+1,i,i-1,2,),L,L,(,q,1,i,i,+
6、,+,1、离散化,2、外载荷集中到结点上，即把阴影部分的重量作用在结点i上,实例 2（1）结构离散,有限单元法求解直杆拉伸：直接公式法,18,实例2（2）单元分析,3、假设线单元上的位移为线性函数,19,4、以i结点为对象，列力的平衡方程令 将位移和内力的关系代入得,用结点位移表示的平衡方程，其中i=1，2，n有n个方程未知数也有n个，解方程组，得出结点位移，进而计算应力。,实例2（2）单元分析,20,假设线单元数为3个的情况，平衡方程有3个：i=1时，i=2时,i=3时，联立解得：,与材料力学的精确解答在结点处完全相同。,实例2（3）整体分析与求解,21,6.5有限元法的基本步骤,所研究问题
7、的数学建模(问题分析)结构离散 单元分析(位移函数、单刚方程)整体分析与求解(总刚方程与求解)结果分析及后处理,22,在寻找连续系统求解方法的过程中，工程师和数学家从两种不同的路线得到了相同的结果，即有限元法。有限元法的形成可以回顾到二十世纪50年代，来源于固体力学中矩阵结构法的发展和工程师对结构相似性的直觉判断。从固体力学的角度来看，桁架结构等标准离散系统与人为分割成有限个分区后的连续系统在结构上存在相似性。1956年，将矩阵位移法推广到求解平面应力问题。把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元”，利用单元中近似位移函数，求得单元节点力与节点位移关系的单元刚度矩阵。1960年，Clough在他
8、的名为“The finite element in plane stress analysis”的论文中首次提出了有限元（finite element）这一术语。,6.6有限单元法的发展,23,数学家们则发展了微分方程的近似解法，包括有限差分方法，变分原理和加权余量法。在1963年前后，经过,R.E.Jones,（卞学磺）等许多人的工作，认识到有限元法就是变分原理中Ritz近似法的一种变形，发展了用各种不同变分原理导出的有限元计算公式。1965年和（张佑启）发现只要能写成变分形式的所有场问题，都可以用与固体力学有限元法的相同步骤求解。1969年和指出可以用加权余量法特别是Galerkin法，导
9、出标准的有限元过程来求解非结构问题。,有限单元法的发展,24,我国的力学工作者为有限元方法的初期发展做出了许多贡献，其中比较著名的有：陈伯屏（结构矩阵方法），钱令希（余能原理），钱伟长（广义变分原理），胡海昌（广义变分原理），冯康（有限单元法理论）。遗憾的是，从1966年开始的近十年期间，我国的研究工作受到阻碍。有限元法不仅能应用于结构分析，还能解决归结为场问题的工程问题，从二十世纪六十年代中期以来，有限元法得到了巨大的发展，为工程设计和优化提供了有力的工具。有限元法是一种数值计算方法。可广泛应用于各种微分方程描述的场问题的求解。,有限单元法的发展,25,结构力学有限元法的力学基础是弹性力学，
10、而方程求解的原理是泛函极值原理，实现的方法是数值离散技术，最后的技术载体是有限元分析软件。因此学习时，必须掌握的基本内容应包括：1、基本变量和力学方程（即弹性力学的基本概念）;2、数学求解原理（即能量原理）;3、离散结构和连续结构的有限元分析实现（即有限元法的基本步骤）;4、有限元法的应用（即有限元法的应用领域或工程问题研究）;5、各种分析建模技巧及计算结果的评判;6、典型分析软件的使用。注意：会使用有限元软件不等于掌握了有限元分析工具,6.7有限元法的基本内容,26,在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛
11、的重视。,6.8有限元法的应用,27,应用实例：制动器数字模型及FEA网格,28,应用实例：制动器性能分析,29,30,亚洲第一，世界第二起重船高70米起重3500吨,应用实例：东海大桥和杭州湾大桥用起重船,31,应用实例：起重机和扁担梁模型,32,面板刚度提高2.8倍,质量减少35%,整体厚度下降,应用实例：面板刚性增强设计,33,34,35,结构离散（有限元建模）内容：1）网格划分-即把结构按一定规则分割成有限单元 2）边界处理-即把作用于结构边界上约束和载荷处理为节点约束和节点载荷。要求：1）离散结构必须与原始结构保形-单元的几何特性；2）一个单元内的物理特性必须相同-单元的物理特性。,
12、6.9有限元法的几个基本概念,36,节点载荷,节点力,单元：即原始结构离散后，满足一定几何特性和物理特性的最小结构域。节点：单元与单元间的连接点。节点力：单元与单元间通过节点的相互作用力。节点载荷：作用于节点上的外载。注意：1)节点是有限元法的重要概念，有限元模型中，相邻单元的作用通过节点传递，而单元边界不传递力，这是离散结构与实际结构的重大差别；2）节点力与节点载荷的差别。,单元与节点,37,典型单元类型,38,用以表示单元内物理量变化（如位移或位移场）的近似函数。由于该近似函数常由单元节点物理量值插值构成，故称为插值函数，如单元内物理量为位移，则该函数称为位移函数。选择位移函数的一般原则：
13、1）位移函数在单元节点的值应等于节点位移（即单元内部是连续的）；2）所选位移函数必须保证有限元的解收敛于真实解。为了便于微积分运算，位移函数一般采用多项式形式，在单元内选取适当阶次的多项式可得到与真实解接近的近似解,6.10插值函数（或位移函数）,39,6.11位移函数的构造方法,(1)广义坐标法:一维单元位移函数：为待定系数，也称为广义坐标,40,如一维单元:二维单元:注：Ni可为Lagrange、Hamiton多项式或形函数，在+1-1间变化,(2)插值函数法:即将位移函数表示为各个节点位移与已知插值基函数积的和。,6.12位移函数的构造方法,41,影响有限元解的误差：1）离散误差 2）位移函数误差收敛准则：1）位移函数必须包括常量应变（即线形项）；2）位移函数必须包括单元的刚性位移（即常量项）；3）位移函数在单元内部必须连续（连续性条件）；4）位移函数应使得相邻单元间的位移协调（协调性条件）。注：上述四个条件称为有限元解收敛于真实解的充分条件；前三个条件称为必要条件。满足四个条件的位移函数构成的单元称为协调元；满足前三个条件的单元称为非协调元；满足前两个条件的单元称为完备元。,6.13有限元法的收敛准则,
