有限元试题及答案

一 判断题（20分）
（×）1. 节点的位置依赖于形态，而并不依赖于载荷的位置
（√）2. 对于高压电线的铁塔那样的框架结构的模型化处理使用梁单元 （×）3. 不能把梁单元、壳单元和实体单元混合在一起作成模型 （√）4. 四边形的平面单元尽可能作成接近正方形形状的单元
（×）5. 平面应变单元也好，平面应力单元也好，如果以单位厚来作模型化 处理的话会得到一样的答案
（×）6. 用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析 （√）7. 一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好
（×）8. 所谓全约束只要将位移自由度约束住，而不必约束转动自由度 （√）9. 同一载荷作用下的结构，所给材料的弹性模量越大则变形值越小 （√）10一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。

二、填空（20分）
1．平面应力问题与薄板弯曲问题的弹性体几何形状都是 薄板 ，但前者受力特点是： 平行于板面且沿厚度均布载荷作用 ，变形发生在板面内；
后者受力特点是： 垂直于板面 的力的作用，板将变成有弯有扭的曲面。

2．平面应力问题与平面应变问题都具有三个独立的应力分量： σx ，σy ，τxy ，三个独立的应变分量：εx ，εy ，γxy ，但对应的弹性体几何形状前者为 薄板 ，后者为 长柱体 。

3．位移模式需反映 刚体位移 ，反映 常变形 ，满足 单元边界上位移连续 。

4．单元刚度矩阵的特点有：对称性 ， 奇异性 ，还可按节点分块。

5．轴对称问题单元形状为：三角形或四边形截面的空间环形单元 ，由于轴对称的特性，任意一点变形只发生在子午面上，因此可以作为 二 维问题处理。

6．等参数单元指的是：描述位移和描述坐标采用相同的形函数形式。

等参数单元优点是：可以采用高阶次位移模式，能够模拟复杂几何边界，方便单元刚度矩阵和等效节点载荷的积分运算。

7．有限单元法首先求出的解是 节点位移 ，单元应力可由它求得，其计算公式为
{}{}
[][]e
D B σδ=。

（用符号表示即可）
8．一个空间块体单元的节点有 3 个节点位移： u ，v ，w 9．变形体基本变量有位移应变应力
基本方程
平衡方程 物理方程 几何方程
10.实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元
三选择题（14分）
1 等参变换是指单元坐标变换和函数插值采用__B___的结点和______的插值函数。

（A）不相同，不相同（B）相同，相同（C）相同，不相同（D）不相同，相同
2 有限元位移模式中，广义坐标的个数应与_______B____相等。

（A）单元结点个数（B）单元结点自由度数（C）场变量个数
3 如果出现在泛函中场函数的最高阶导数是m阶，单元的完备性是指试探函数必须至少是___B___完全多项式。

（A）m-1次（B）m次（C）2m-1次
4 与高斯消去法相比，高斯约当消去法将系数矩阵化成了____C_____形式，因此，不用进行回代计算。

（A）上三角矩阵（B）下三角矩阵（C）对角矩阵
5 对分析物体划分好单元后，___C_______会对刚度矩阵的半带宽产生影响。

（A）单元编号（B）单元组集次序（C）结点编号
6 n个积分点的高斯积分的精度可达到__C____阶。

（A）n-1 （B）n （C）2n-1 （D）2n
7 引入位移边界条件是为了消除有限元整体刚度矩阵的_____C_____。

（A）对称性（B）稀疏性（C）奇异性
三．简答题（共20分，每题5分）
1、简述有限单元法结构刚度矩阵的特点。

2、简述有限元法中选取单元位移函数（多项式）的一般原则。

1、答：（答对前3个给4分）
（1）对称性；（2）奇异性；（3）主对角元恒正；（4）稀疏性；（5）非零元素带状分布
2、答：
一般原则有
(1)广义坐标的个数应该与结点自由度数相等；
(2)选取多项式时，常数项和坐标的一次项必须完备；多项式的选取应由低阶到高阶；
(3)尽量选取完全多项式以提高单元的精度。

有限元方法分析的目的：
1)对变形体中的位移、应力、应变进行定义和表达，进而建立平衡方程、几何方程和物理方
程。

2)针对具有任意复杂几何形状的变形体，完整得获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息。

3)力学分析的基础上，对设计对象进行强度(strength)、刚度（stiffness）评判，修改、优化参数。

3．有限单元法分析步骤
1、结构的离散化
2、选择位移模式
3 、分析单元的力学特性
4、集合所有单元平衡方程，得到整体结构的平衡方程
5、由平衡方程求解未知节点位移
6、单元应变和应力的计算
4连续体结构分析的基本假定：
（1）连续性假设；
（2）完全弹性假设；（3）均匀性假设；（4）各向同性假设；（5）小变形假设。

四计算题（20）
、如图1所示等腰直角三角形单元，其厚度为，弹性模量为，泊松比；单元的边
2、长及结点编号见图中所示。

求
(1) 形函数矩阵
(2) 应变矩阵和应力矩阵
(3) 单元刚度矩阵
1、解：
设图1所示的各点坐标为
点1（a，0），点2（a，a），点3（0，0）
于是，可得单元的面积为
1
2
A 2a，及
(1)形函数矩阵N为(7分
)
2
3
12
122121
(0a a )a 1
(00a )a 1
(a a 0)
a
N x y N x y N x y =
+-=++=-+ ；
[][]
12312
3 N N N ==N I I I N N N
(2) 应变矩阵B 和应力矩阵S 分别为
(7分)
12a 010-a a -a a ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦B ，220010a a a 0⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦B ，32-a 0100a 0
-a ⎡⎤
⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
B ； []12
3=B B B B
12a 00-a a 11-a a E ⎡
⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦S ，22000a a 1a 0E ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦S ，32
-a 000a 10-a E ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
S ；[][]
123123 ==S D B B B S S S
(3) 单元刚度矩阵e K
(6分)
11
1213T 21
22
2331
32
333110211312011110014020200200020111001e Et tA ---⎡⎤⎢⎥---⎢⎥⎡⎤
--⎢⎥
⎢⎥===⎢⎥
⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥-⎢⎥--⎣⎦
K K K K B DB K K K K K K。