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有限单元法学习报告
在对力学问题分析求解过程中,方法可以概括为两种方法,一种为解
析法,对具体问题具体分析,通过一定的推导用具体的表达式获得解
答,由于实际工程中结构物的复杂性,此方法在处理工程问题是十分困
难的;另一种是数值法,有限元法是其中一种方法,其数学逻辑严
谨,物理概念清晰,又采用矩阵形式表达基本公式,便于计算机编
程,因此在工程问题中获得广泛的应用。
有限元法基本原理是,将复杂的连续体划分为简单的单元体;将无限
自由度问题化为有限自由度问题,因为单元体个数是有限的;将偏微分
方程求解问题化为有限个代数方程组的求解问题。通常以位移为基本未
知量,通过虚功原理和最小势能原理来求解。
基本思想是先化整为零,即离散化整体结构,把整体结构看作是由若
干个通过结点相连的单元体组成的整体;再积零为整,通过结点的平衡
来建立代数方程组,最后计算出结果。
我将采用最简单的三结点三角形为基本单元体,解决弹性力学中的平
面问题为例,解释有限单元法的基本原理、演示数值计算过程和一般性
应用结论。
一、离散化
解决平面问题时,主要单元类型包括三角形单元(三结点、六结
点)和四边形单元(四结点矩形、四结点四边形、八结点四边形)等。
选用不同的单元会有不同的精度,划分的单元数越多,精度越高,但
计算量也会越大。因此在边界曲折,应力集中处单元的尺寸要小些,
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但最大与最小单元的尺寸倍数不宜过大。在集中力作用点及分布力突
变的点宜选为结点,不同厚度,不同材料不能划分在同一单元中。三角
形单元以内角接近60°为最好。充分利用对称性与反对称性。
二、单元分析
将一个单元上的所有未知量用结点位移表示,并将分布在单元上的外
力等效到结点上。
1、位移函数选取:根据有限元法的基本思路,将连续体离散为有限的
单元集合后,此时单元体满足连续性、均匀性、各向同性、完全线弹
性假设。单元与单元之间通过结点连接并传递力,位移法
T
(应用最广)以结点位移i=(UV)为基本未知量,以离散位移场
8
ii
代替连续位移场。单元体内的位移变化可以用位移函数(位移模式)来
表示,因为有限元分析所得结果是近似结果,为了保证计算精度和收敛
性,x位移函数应尽可能反应物体中的真实位移,即满足完备性和连
续性的要求:位移模式必须能反映单元的刚体位移。位移模式必须能
反映单元的常量应变。位移模式应尽可能反应位移的连续性。
设三角形单元三个结点编号为i、j、m。平面三角形单元位
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移函数选取为
u=a+aX+ay
123
V=a+aX+ay
456
可以写成可以写成0的形式,、反映了单元的刚体平动,反
UV
U7。o
vVy
。
映了单元的刚体转动,满足完备性和连续性的要求
采用插值法由单元结点位移列阵e=T计算、、
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