有限元法基础-12动力学问题共71页文档
有限元分析-动力学分析PPT课件
目录
• 引言 • 有限元分析基础 • 动力学分析基础 • 有限元分析在动力学中的应用 • 案例分析 • 结论与展望
01 引言
目的和背景
01
介绍有限元分析在动力学分析中 的应用和重要性。
02
阐述本课件的目标和内容，帮助 读者了解有限元分析在动力学分 析中的基本概念、方法和应用。
随着工程复杂性和精确度要求的提高，有限元分析在动力学分析中的 应用将更加重要和必要。
02
未来需要进一步研究有限元分析算法的改进和优化，以提高计算效率 和精度。
03
未来需要加强有限元分析与其他数值计算方法的结合，如有限差分、 有限体积等，以实现更复杂的动力学模拟和分析。
04
未来需要加强有限元分析在多物理场耦合和多尺度模拟中的应用，以 更好地解决工程实际问题。
有限元分析的优点和局限性
• 精确性：对于某些问题，可以得到相当精确的结 果。
有限元分析的优点和局限性
数值误差
由于离散化的近似性，结果存在一定的数值误 差。
计算成本
对于大规模问题，计算成本可能较高。
对模型简化的依赖
结果的准确性很大程度上依赖于模型的简化程度。
03 动力学分析基础
动力学简介
动力学是研究物体运 动过程中力与运动关 系的科学。
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ห้องสมุดไป่ตู้
求解等。
02 有限元分析基础
有限元方法概述
01
有限元方法是一种数值分析方法，通过将复杂的物理系统离散化为有 限个简单元（或称为元素）的组合，来模拟和分析系统的行为。
02
它广泛应用于工程领域，如结构分析、流体动力学、热传 导等领域。
有限元静力学及动力学分析课件
03
操作步骤
利用有限元软件建立动力学模型， 进行瞬态模拟，将模拟结果与实
验结果进行对比分析。
02
实验设计
设计动力学实验，如自由落体冲 击实验，选用合适的实验设备和
试样。
04
结果分析
对比实验数据和模拟结果，评估 有限元分析方法在处理动力学问
题时的性能和准确性。
工程案例分析
案例背景
介绍汽车碰撞事故的背景，阐述有限元分析在汽车碰撞研 究中的重要性。
实验设计
设计简单的静力学实验，如悬 臂梁弯曲实验，准备相应的实
验设备和试样。
操作步骤
结果分析
利用有限元软件建立实验模型， 进行数值模拟，并将模拟结果
与实验结果进行对比分析。
通过对比实验数据和模拟结果， 评估有限元分析方法的精度和
适用性。
动力学实验验证
01
验证目的
通过动力学实验验证有限元分析 方法在处理动态问题时的准确性
模型建立
详细描述汽车碰撞有限元模型的建立过程，包括几何清理、 网格划分、材料属性赋值等步骤。
边界条件与求解设置
说明碰撞模拟中的边界条件，如初始速度、角度等，以及 求解器的选择和参数设置。
结果分析
展示碰撞过程中的变形、应力、应变等关键参数的变化情 况，并结合实验结果进行验证和讨论。最后，基于分析结 果提出汽车结构改进的建议。
自适应网格技术：结合并行计 算，实现自适应网格细化，以 在关键区域获得更精确的计算 结果，同时减少计算资源消耗。
通过这些高级有限元分析技术， 可以更准确、高效地模拟和分 析复杂工程问题，为设计和优 化提供有力支持。
PART 06
实验验证与案例分析
静力学实验验证
动力学有限元
6.2结构动力有限元法理论与模型一、基本原理在实际问题的求解中，应用最广的是基于位移的有限元素法。
此法的基本思想是把本来为连续的工程结构分割成在结点上相联的单元组合体。
取这些结点的位移为基本未知量，并假定每个单元中的位移用单元位移函数来描述，这实质上是假定了单元的模态。
在此基础上，利用能量变分原理进行单元分析的全结构分析，得到全结构的振动平衡方程，从而把连续体的动力学问题化为多自由度系统的振动问题。
有限元动力分析的基本过程是首先将工程结构离散化，通过选择合理的单元确定出分析模型，在此基础上选择位移函数，进行单元分析，确定单元的刚度、质量、阻尼、载荷矩阵，再经过坐标变换，通过能量变分原理，进行全结构分析，建立系统的振动平衡方程。
最后运用有限元数值方法进行方程的求解。
结构动力有限元法采用的单元位移函数与静力分析相同，基本原理和求解过程也与静力分析相同，不同之处仅在分析模型的确定与运动方程的建立方面。
二、动态分析模型的确定由于结构动态分析中除考虑弹性力外，还要考虑惯性力和阻尼力，其运动方程是常微分方程组，所以动态分析的复杂程度高，计算工作量大，有限元分析模型要尽量精炼、简单。
1.模型确定的基本原则•分析模型应与分析的目的相适应。
动力分析的目的各不相同，有的是为了提供固有特性计算动态响应或供控制系统用；有的是为了舱内提供振动环境。
不同的目的，通常要求不同的模态数与计算精度。
显然，用于估算基本固有频率的模型应当比计算冲击响应的模型简单。
用于设计计算的模型应当比用于校核计算的模型简单。
•分析模型要与选用的计算工具与计算条件相适应。
计算机软件种类日益丰富，选择分析模型要与所用程序、所用计算机容量相适应。
如对于容量大的计算机，可选用较为复杂的有限元模型，而对于容量小的计算机则在能反映结构动态性能的前提下尽量简化模型，使求解规模尽量小。
对于大模型，可选用子结构模型，采用模态综合方法求解。
应注意, 不一定模型愈精细精度就愈高。
有限元静力学及动力学分析课件
网格类型
一维、二维、三维网格， 以及六面体、四面体、四 边形等形状的网格。
网格质量
对计算结果的精度和稳定 性有重要影响，需要保证 网格质量良好。
材料属性定义
材料属性
弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。
材料属性赋值
根据实际材料属性赋予有限元模型相应的值。
材料非线性
考虑材料在不同应力应变状态下的非线性行为。
03
有限元动力学分析基础
动力学基本概念
01
02
03
04
动力学
研究物体运动和力之间关系的 科学。
牛顿第二定律
物体运动加速度与作用力成正 比，与物体质量成反比。
动能
物体由于运动而具有的能量。
势能
物体由于位置或形变而具有的 能量。
有限元动力学方程
拉格朗日方程
描述系统运动状态的微分方程。
哈密顿原理
最小作用量原理的一种形式，用于确定系统的运动轨迹。
有限元分析的历史与发展
有限元分析的思想起源于20世纪40年代，但直到20世纪60年代 才由Clough提出并命名为“有限元法”。
随着计算机技术的发展，有限元分析得到了广泛的应用和推广， 逐渐成为工程领域的重要工具。
近年来，随着计算能力的提高和数值算法的发展，有限元分析在 精度、稳定性和适用范围等方面得到了显著提升，能够处理更加 复杂和大规模的问题。
01
刚度矩阵的定义和 性质
描述刚度矩阵的物理意义、计算 方法和特性，以及它在建立有限 元方程中的作用。
02
载荷向量的定义和 计算
介绍载荷向量的概念、计算方法 和作用，以及它在建立有限元方 程中的作用。
03
边界条件的处理
描述如何将边界条件引入有限元 方程中，以及常见的边界条件类 型。
动力学问题的有限元法（ＰＤＦ）
第七章 动力学问题的有限元法结构动力学是研究动载荷作用下结构动力反应规律的学科，讨论结构在动力荷载作用下反应的分析方法，寻找结构固有动力特性、动力荷载和结构反应三者间的相互关系。
研究结构在动力荷载作用下的反应规律，能够为结构的动力可靠性（安全、舒适）设计提供依据。
前面介绍的静力学问题的研究对象是受不随时间变化的载荷作用。
而动力学问题的对象受随时间而变的载荷的作用，从而使在结构中产生的位移、速度、应力和应变都随时间而变。
当结构受随时间变化的载荷作用，且这种载荷的作用对结构的变形和应力的产生起主要作用，以致影响设备的安全性，或舒适性。
这时就要进行动力学分析，充分认识其规律性，从设计阶段就抑制这种不利状况的发生。
例如，有时虽然动载荷不大，但结构在交变力的作用下，其某些固有频率与激励力的作用频率相接近时，就会引起很大的振动、变形或应力，这时，就必须对结构作动力学分析。
又如，要利用结构在周期性作用力驱动下的定向振动，例如利用这种运动输送产品，这时，就必须巧妙地设计结构，使其具有某些与激励频率一致的固有频率，并且使结构对激励具有适当的响应能力。
总之，不管是利用振动，还是抑制振动，都需要进行结构动力学分析。
当前结构动力学的研究内容有三类。
第一类问题：反应分析（结构动力计算），第二类问题：参数（或称系统）识别，第三类问题：荷载识别。
第一类问题是已知系统动态特性和动载荷作用部位及大小，求出系统的响应——随时间变化的位移，速度，加速度和应力等。
第二类问题是已知系统的输入输出特性，分析系统固有的动态特性，结构模态分析就属于这一类问题。
第三类问题是在已知系统动态特性的条件下, 通过测量系统的响应,或由响应准则预先给出响应要求, 以此识别对响应的外载荷。
三类结构动力学研究内容的载荷、结构和响应之间的关系如图7-1所示。
动载荷种类大致分类如图7-2所示。
图7-1 结构动力学研究的内容图7-2 动载荷种类本章主要介绍结构动力学分析的基础知识，并主要介绍系统固有特性的有限元分析方法——有限元模态分析。
FEM-12 结构动力学问题有限元
式又称运动方程，它不再是静力问题那样的线性方程，而是一个二 阶常微分方程组。
动态分析有限元法的一般步骤
1. 结构离散：该步骤与静力分析基本相同 2. 单元分析：单元分析的任务仍是建立单元特性矩阵（刚度矩 阵、质量矩阵和阻尼矩阵），形成单元特性方程。
e 在动载荷作用下，对于任一瞬时，设单元节点发生虚位移 q ，则单元
m
e
N N dV
T V
c
e
N N dV
T V
分别称为单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，它们就是决定单元动态性能的 特性矩阵。
R t N T Pv dV N T Ps dA N T Pc
e V A
称为单元节点动载荷列阵，它是作用在单元上的体力、面力和集中力向单元节 点移置的结果。
在动态分析和静力分析中，单元的刚度矩阵是相同的，外部载荷的移置原理也一样。
四、固有特性分析 结构的固有特性由结构本身决定，与外部载荷无关，它由一组模态参 数 定量描述。包括：固有频率、模态振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼 比等。 固有特性分析就是对模态参数进行计算，其目的一是避免结构出现共
5、由于节点具有速度和加速度，结构将受到阻尼和惯性力的作用。 根据达朗伯原理，引入惯性力和阻尼力之后结构仍处于平衡状态， 因此动态分析中仍可采用虚位移原理来建立单元特性方程，然后再 集成。整个结构的平衡方程为：
C q K q R t M q
2 0
可解出n个特征向量 0
第 i 个 i、 0i 合称第i个特征对， i 为结构的第i个固有频率,
0i 为结构的第i个振型
将
i
按从小到大的顺序排列：
Ansys-Workbench详解教程
编辑目标
用户可以对给定的目标进行复制、
粘贴、剪切等常规操作。使用Edit菜单
中的各项命令。
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19
第19页，共71页。
视图显示
视图的显示主要在View菜单中进行控制。 1、图形窗口
Shade Exterior and Edges：轮廓线显示
Wireframe：线框显示
对弹性区域离散化
进行单元集成， 在节点上加外载荷力
将单元内任一节点 位移通过函数表达
（位移函数）
建立单元方程
引入位移边界条件 进行求解
求解得到节点位移
根据弹性力学公式得到单元应变、应力
第7页，共71页。
有限元法的基本步骤
1. 结构离散；
2. 单元分析
a. 建立位移函数
b. 建立单元刚度方程
c. 计算等效节点力
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第34页，共71页。
网格划分
三维实体的四面体（Tetrahedron）单元 划分
三维实体的六面体（Hexahedron）单元划
分
第35页，共71页。
4 选择分析类型
静力学分析(Static Analysis) ：
计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，不考虑惯性和阻尼的影响，如 结构受随时间变化载荷的影响。
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2
第2页，共71页。
有限元基本概念
概念
把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，这些单元通过有限个节点 相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析， 然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成能够进行综合求解的整体。
有限元法的基本思想—离散化。
有限元法_精品文档
12
一、有限元法的基本概念
1.什么是有限元法
我们实际要处理的对象都是连续体，在传统设 计思维和方法中，是通过一些理想化的假定后，建 立一组偏微分方程及其相应的边界条件，从而求出 在连续体上任一点上未知量的值。
25
4）具有灵活性和适用性，适应性强（它可以把形状 不同、性质不同的单元组集起来求解，故特别适 用于求解由不同构件组合的结构，应用范围极为 广泛。它不仅能成功地处理如应力分析中的非均 匀材料、各向异性材料、非线性应力应变以及复 杂的边界条件等问题，且随着其理论基础和方法 的逐步完善，还能成功地用来求解如热传导、流 体力学及电磁场领域的许多问题）
21
对于一个具体的工程结构，单元的划分越小， 求解的结果就越精确，同时，其计算工作量也就越 大。
梯子的有限元模型不到100个方程； 在ANSYS分析中，一个小的有限元模型可能有几 千个未知量，涉及到的单元刚度系数几百万个。 单元划分的精细程度，取决于工程实际对计算 结果精确性的要求。
22
4）有限元分析 有限元分析就是利用数学近似的方法对真实
5）在具体推导运算过程中，广泛采用了矩阵方法。
26
2.有限元法的作用 1）减少模型试验的数量（计算机模拟允许对大量
的假设情况进行快速而有效的试验）； 2）模拟不适合在原型上试验的设计（例如：器官
移植、人造膝盖）； 3）节省费用，降低设计与制造、开发的成本； 4）节省时间，缩短产品开发时间和周期； 5）创造出高可靠性、高品质的产品。
因为点是无限多的，存在无限自由度的问题， 很难直接求解这种偏微分方程用来解决实际工程问 题，因此需要采用近似方法来处理。
第六章动力问题有限元法
第六章 动力问题的有限元法6.1 概述前面几章所研究的问题都属于静力问题，其特点是施加到结构上的外载荷不会使结构产生加速度，且外载荷的大小和方向不随时间变化，因而结构所产生的位移和应力也不随时间变化。
本章将要研究结构分析中另一类重要问题的有限元解法，即动力问题的有限元解法。
动力学问题的特点是，载荷是随时间变化的，因而结构所产生的位移和应力是时间的函数，结构会产生速度和加速度。
由于结构本身的弹性和惯性，结构在动力载荷的作用下，往往呈现出振动的运动形态。
结构振动是工程中一个很普遍很重要的问题。
有些振动对我们有利，例如，振动打桩，振动选料，有些振动对我们有害，例如，机床的振动，仪器与仪表的振动，桥梁、水坝及高层建筑在地震作用下的振动等。
因此，我们必须对振动体本身的振动特性以及它对外部激振力的响应有一个明确的认识，才能更好地利用它有利的一面，而避免它有害的一面，设计出更好的机械和结构。
振动问题主要解决两方面的问题。
1. 寻求结构的固有频率和主振型，从而了解结构的固有振动特性，以便更好地利用或减少振动。
2. 分析结构的动力响应特性，以计算结构振动时动应力和动位移的大小及其变化规律。
6.2 结构的振动方程结构的振动方程可用多种方法建立，这里我们使用达朗伯原理（动静法），仿照前几章建立静力有限元方程的方法，来建立动力问题的有限元方程。
在静力问题中用有限元法建立的平衡方程是}{}]{[F K =δ在振动问题中，对结构的各节点应用达郎伯原理所建立的振动方程仍然具有与上式相同的形式，只不过节点位移是动位移，节点载荷是动载荷，它们都是时间的函数。
上面的方程成为)}({)}(]{[t Q t K =δ (6.1)上式中{})(t δ为节点的动位移，它是时间的函数，)}(]{[t K δ是t 时刻的节点位移产生的弹性恢复力，它与该时刻的节点外力{})(t Q 构成动态平衡。
在动态情况下，结构承受的载荷（集中载荷 ，分布载荷 ）可随时间而变化，是时间的函数。
有限元分析的力学基础
应用场景：流体 动力学分析广泛 应用于航空航天、 汽车、船舶、能 源等领域如飞机 机翼的气动性能 分析、汽车发动 机的流体动力学 分析等。
优势：有限元分 析能够处理复杂 的几何形状和边 界条件提供高精 度和可靠的分析 结果有助于优化 设计和改进产品 性能。
未来发展：随着 计算技术和数值 方法的不断进步 有限元分析在流 体动力学分析中 的应用将更加广 泛和深入有望在 解决复杂流体动 力学问题方面发 挥更大的作用。
特点：适用于大规模复杂问题的求解但需要设置合适的初值和解的精度要求。
有限元分析的精度与收敛性
精度：有限元分析的精度取决于网格划分的大小和形状以及所选择的近似函数。 收斂性：有限元分析的收敛性是指随着网格的细化解的近似值将逐渐接近真实解。 收敛速度：收敛速度取决于所选择的有限元类型和边界条件。 误差估计：通过误差估计可以确定所需的网格细化程度以确保解的精度。
弹性力学的 应用实例
塑性力学基础
定义：塑性力学是研究材料在达到屈服点后发生不可逆变形时行为规律的学科。 特点：塑性变形过程中外力的大小和方向可以发生变化而材料的内部结构保持不变。 塑性力学的基本方程：包括应力-应变关系、屈服准则、流动法则等。 应用：塑性力学在工程领域中广泛应用于金属成型、压力容器设计等领域。
局限性：塑性力 学模型忽略了材 料在塑性变形过 程中的微观结构 和相变行为因此 对于某些特定材 料或极端条件下 的应用可能存在 局限性。
流体动力学模型
简介：流体动力 学模型是有限元 分析中用于描述 流体运动的数学 模型包括流体压 力、速度、密度
等参数。
方程形式：流体 动力学模型通常 由一组偏微分方 程表示如NvierSkes方程描述了 流体的运动规律。
单元分析： 对每个单元 进行力学分 析包括内力、 外力、位移 等
结构动力学问题的有限元法
01
工程中受动载荷的产品：受道路载荷的汽车；受风载的雷达；
02
受海浪冲击的海洋平台；受偏心离心力作用的旋转机械等。
03
动态分析的必要性：当产品受到随时间变化的动载荷时，需
04
要进行动态分析，以了解产品动态特性。
动载荷（又称动力分析）
固有特性分析
响应分析
固
有
振
频
型
率
位 移 响 应
量 0 矩2阵0取决1 于0 单1 元的类型和形函
m
e c
tA
12
数 10 的10形02式。02
1 0
0
1
1 0 1 0 2 0
0 1 0 1 0 2
2. 集中质量矩阵
集中质量矩阵将单元的分布质量按等效原则分配 在各个节点上，等效原则
就是要求不改变原单元的质量中心，这样形成的 质量矩阵称为集中质量矩
M qK q0
添加标题qejt 添加标题
由于固有特性与外载荷 无关，且阻尼对固有频 率和振型影响不大，因 此可通过无阻尼自由振 动方程计算固有特性。
式中，ω为简谐振动圆 频率；{Φ}为节点振幅 列向量。
添加标题
由于自由振动可分解为 一系列简谐振动的叠加， 因此上式的解可设为
单 击 此 处 K2M 振型{ Φ0 i}是结构按频率ωi振动时各自由度方向振幅间的相对比
i(i=1,2,…..,n)就是结构
的i阶模态振型。
固 要
有特性k1分1
有K d
析实际
k22
上
就
是
求
解广
M d
义m特11
征值
m22
问
题
有限元动力学问题有限单元法课件
03
动力学问题有限单元法
引言
有限单元法的起源和 发展
课程目标和主要内容
动力学问题有限单元 法的重要性
动力学问题的基本概念和方程
动力学问题的定义和分类 运动学方程和动力学方程的建立
经典力学理论和工程应用
动力学问题的有限单元法求解过程
01
02
03
04
有限单元法的原理和特点
动力学问题有限单元法的离散 化处理
动力学问题有限元建模的意义
有限元方法在动力学问题中具有广泛的应用价值，可以解决许多连续体力学问 题，如结构分析、流体动力学和热传导等。
动力学问题有限元建模的基本步骤和原则
确定研究目标和问题
明确所要研究的动力学问题， 确定其边界条件和约束条件。
建立连续体的离散化模型
将连续体离散化为由有限个单 元组成的模型，每个单元具有 一定的物理和几何性质。
有限元动力学方程的求解算法
02
采用时间积分法或隐式积分法等算法，对动力学方程进行求解
。
计算流程
03
建立有限元模型、划分网格、施加边界条件和载荷、进行计算
、后处理等步骤。
有限元动力学问题求解程序的实现和优化
求解程序的实现
采用编程语言（如Python、C等）实现有限元动力学方程的求解程序。
求解程序的优化
05
有限元动力学问题的求解算
法和程序实现
引言
有限元方法的基本思想
将连续的物理问题离散化，通过求解离散化的方程来逼近真实解。
有限元方法在动力学问题中的应用
在机械、航空、土木等领域中，有限元方法被广泛用于求解动力学问题。
有限元动力学问题的求解算法和计算流程
有限元动力学方程的建立
有限元分析-动力学分析
谐响应分析
谐响应分析主要用于分析持续的周期载荷在结构中产生的 持续周期响应，以及确定线性结构承受随时间按正弦规律变 化的载荷时的稳态响应。 建立模型时必须指定弹性模量和材料密度，谐响应分析假 定所施加的所有载荷随时间按简谐规律变化，一个简谐载荷 需要三条信息：幅值、相位角、载荷频率范围。
谐响应分析实例
模态分析
一般而言，模态分析就是分析器件的谐振频率。模态分析 是谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析的起点。 任何物体都有自身的固有频率，也称特征频率，用系统方 程描述后就是矩阵的特征值。很多工程问题都要涉及系统特 征频率问题，一个目的是防止共振、自激振荡之类的事故发 生，历史上有名的事件就是，步兵按统一步伐过大桥，结果 把大桥震塌了。 飞机翅膀的频率分析的用途？ 飞机飞行时更要注意频率问题，避免与气流共振，风洞试 验就是测试这种力学结构问题。模态分析的目的是想办法提 高结构的特征频率,现在的手段就是改变、优化设计尺寸和设 法减小结构的质量。
瞬态分析
阻力和阻尼的区别？
阻力和阻尼的区别
1.阻尼的外延大，阻力的外延小 2. 系统的能量的减小——阻尼振动不都是因“阻力”引起 的，就机械振动而言，一种是因摩擦阻力生热，使系统的 机械能减小，转化为内能，这种阻尼叫摩擦阻尼；另一种 是系统引起周围质点的震动，使系统的能量逐渐向四周辐 射出去，变为波的能量，这种阻尼叫辐射阻尼。 3. 阻尼、临界阻尼、欠阻尼、无阻尼 4. 力学中的阻尼是什么？电学中的阻尼是什么？
静态分析
结构静力分析是有限元方法中最常用的一个应用领域。在 相当长的一段时间内，机械结构的设计，主要采用经验设计， 计算模型非常简单、粗糙，有的还根本无法计算。 我们大部分的计算分析目的主要是 1) 结构的最优方案设计：根据计算结果的分析和比较，按强 度、刚度和稳定性要求，对原方案进行修改补充，从而保证 合理的应力。 2) 分析结构损害原因：当结构件在工作中发生故障如裂纹、 断裂、磨损过大等缺陷时，可应用有限元分析，研究损害原 因，找出危险区域和部位，直到找到合理结构。
有限元动力学问题有限单元法
动力学问题在物理领域中也有着广泛的应用，如力学、电磁学、光学等。例如，力学中的弹性力学问题、电磁学中的 电磁场问题、光学中的光束传播问题等。
其他领域
动力学问题在其他领域中也有着广泛的应用，如生物学、化学、地球科学等。例如，生物学中的生物力 学问题、化学中的化学反应动力学问题、地球科学中的地震动力学问题等。
03
有限元方法在多个领域都有广泛的应用，如机械、建筑、 航空航天、电子等。通过对不同领域动力学问题的有限元 分析，可以为相关领域的研究和应用提供重要的参考和指 导。
研究限制与不足
有限元方法虽然具有广泛的应用前景，但仍存在一些 限制和不足之处。例如，对于一些复杂结构和多尺度 问题，有限元方法的计算量和计算成本可能会较高， 需要进一步优化算法和计算流程。
有限元方法是一种有效的数值计算方法，可以精确地解决 结构动力学问题。通过对结构进行离散化，将连续的物理 问题转化为离散的数学问题，可以更方便地进行数值计算 和模拟。
02
有限元方法具有广泛的适用性，可以应用于各种材料和结 构的动力学问题。通过对不同材料和结构的有限元分析， 可以得到其动力学特性和响应规律，为工程设计和优化提 供依据。
02
有限元法基础
有限元法概述
有限元法是一种数值分析方法，用于 求解各种物理问题，如结构力学、流 体动力学、热传导等。它通过将连续 的求解域离散化为由有限个简单单元 组成的集合，从而将连续的偏微分方 程转化为离散的线性方程组，降低了 问题的复杂性和难度。
VS
有限元法在工程领域应用广泛，可以 用于分析复杂结构、设备和系统的动 力学行为，进行结构优化和设计等。
04
有限元法在动力学问 题中的应用
动力学问题的有限元法求解步骤
动力学问题的有限元法
第五节 瞬态响应分析
? 瞬态响应分析是计算动力强迫响应分析的最一般方法。其 目的是计算结构受随时间变化激励作用下的行为。瞬态激 励定义在时间域中，每个瞬时的大小已知。激励可以是作 用力和强迫运动。
? 根据结构和载荷的性质，可以用两种不同的数值方法进行 瞬态响应分析：直接积分法和振型叠加法。前者对全耦合 的有限元离散运动方程直接进行积分；后者利用主振型对 运动方程进行变换和解耦，结构的响应根据相应于各振型 的响应累加而成。
? 研究结构自由振动特性。设阻尼和外力均为零，则结 构自由振动有限元运动方程为：
M?a?(t) ? Ka (t) ? 0
设各自由度作简谐运动：
a ? ? sin? (t ? t0 )
其中 ? 是n阶向量，表示有限元离散结构所有自由度的
振幅，ω是该向量振动的频率。将上式代入自由振动 方程得到：
? 该方程描述的问题称为广义特征值问题。
2）是条件稳定算法。时间步长必须小于某个临界值：
?t
?
? tcr
?
Tn
?
Tn 是有限元系统的最小固有振动周期，通常用最小尺
寸单元的最小固有振动周期代替。因此，有限元网格中最
小单元尺寸将决定中心差分法时间步长的选择。有限元网
格划分时要考虑到这个因素，避免个别单元尺寸太小。
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3）中心差分法适合用于考虑波传播效应的线性、非线性 响应分析。但是对于结构动力学问题中的瞬态响应分 析，不适合采用中心差分法，因为这类问题，重要的 是较低频的响应成分，允许采用较大的时间步长。通 常采用无条件稳定的隐式算法。
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? 求解该问题可以得到n对特征解（特征对）
其中特征值：? 1,? 2 ,? ,? n 代表系统的n个固有频率，
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有限元法基础-12动力 学问题
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
END