重庆大学研究生有限元复习题及答案(2013)
有限元 复习题
有限元复习题有限元复习题有限元方法是一种用于求解实际工程问题的数值计算方法。
它通过将复杂的连续体划分为有限数量的小单元，然后在每个小单元内进行数值计算，最终得到整个连续体的近似解。
在实际工程中，有限元方法被广泛应用于结构力学、流体力学、热传导等领域。
在复习有限元方法时，我们可以通过一些典型的问题来加深对该方法的理解和应用。
下面我将给出一些复习题，希望能帮助大家更好地掌握有限元方法的基本原理和解题技巧。
1. 一维热传导问题考虑一根长度为L的杆，两端固定，初始时整个杆的温度均匀为T0。
设杆的热导率为k，热扩散系数为α，求解杆上任意点x处的温度分布。
2. 二维弹性力学问题考虑一个矩形薄板，边界上固定，受到均匀分布的载荷。
假设薄板材料的弹性模量为E，泊松比为ν，求解薄板上任意点的位移和应力分布。
3. 三维流体力学问题考虑一个流体在三维空间中的流动问题，假设流体的密度为ρ，粘性系数为μ，流体受到外力的作用。
求解流体中任意点的速度和压力分布。
以上三个问题是有限元方法常见的应用场景，通过对这些问题的复习，我们可以熟悉有限元方法的基本步骤和求解思路。
在解题过程中，我们需要首先将连续体离散化为有限数量的单元。
对于一维问题，可以将杆划分为多个小段；对于二维问题，可以将薄板划分为多个小矩形单元；对于三维问题，可以将流体域划分为多个小立方体单元。
接下来，我们需要选择适当的数学模型和数值方法来描述和求解问题。
在有限元方法中，常用的数学模型包括弹性力学方程、热传导方程和流体力学方程。
对于这些方程，我们可以采用有限元离散化方法，将其转化为代数方程组。
最后，我们需要选择合适的数值方法来求解代数方程组。
常见的数值方法包括直接法和迭代法。
对于小规模的问题，我们可以使用直接法，如高斯消元法；对于大规模的问题，我们则需要使用迭代法，如共轭梯度法或雅可比迭代法。
通过对以上复习题的学习和解答，我们可以更好地理解有限元方法的原理和应用。
同时，我们也可以加深对数学模型和数值方法的理解和掌握。
(完整word版)有限元法复习题(word文档良心出品)
《有限元法》复习题一. 单选题1.平面刚架单元坐标转换矩阵的阶数为（ ） A ．2⨯2 B ．2⨯4 C ．4⨯4 D ．6⨯62.图示的四根杆组成的平面刚架结构，用杆单元进行有限元分析，单元和节点的划分如图示，则总体刚度矩阵的大小为（ ） A.8⨯8阶矩阵 B.10⨯10阶矩阵 C.12⨯12阶矩阵 D.16⨯16阶矩阵3.坐标转换矩阵可归类为（ ）A.正交矩阵B.奇异矩阵C.正定矩阵D.对称矩阵 4.图示弹簧系统的总体刚度矩阵为（ ）A 11112322244434000000k k k k k k k k k k k k k k -⎡⎤⎢⎥-++-⎢⎥⎢⎥-+⎢⎥-+⎣⎦ B. 1111222244434000000k k k k k k k k k k k k k -⎡⎤⎢⎥-+-⎢⎥⎢⎥-+-⎢⎥-+⎣⎦C. 11112323224434340000k k k k k k k k k k k k k k k k -⎡⎤⎢⎥-++--⎢⎥⎢⎥-+-⎢⎥--+⎣⎦D. 1111223224434340000k k k k k k k k k k k k k k k -⎡⎤⎢⎥-+--⎢⎥⎢⎥-+⎢⎥--+⎣⎦5.确定已知三角形单元的局部码为1(e),2(e),3(e)，对应总码依次为3，6，4，则其单元的刚度矩阵中的元素k 24应放在总体刚度矩阵的( )。
A.1行2列B.3行12列C.6行12列D.3行6列 6.对一根只受轴向载荷的杆单元，k 12为负号的物理意义可理解为（ ） A.当节点2沿轴向产生位移时，在节点1引起的载荷与其方向相同 B.当节点2沿轴向产生位移时，在节点1引起的载荷与其方向相反 C.当节点2沿轴向产生位移时，在节点1引起的位移与其方向相同 D.当节点2沿轴向产生位移时，在节点1引起的位移与其方向相反7.平面桁架中，节点3处铅直方向位移为已知，若用置大数法引入支承条件，则应将总体刚度矩阵中的（ ）A.第3行和第3列上的所有元素换为大数AB.第6行第6列上的对角线元素乘以大数AC.第3行和第3列上的所有元素换为零D.第6行和第6列上的所有元素换为零 8.在任何一个单元内（ ）A.只有节点符合位移模式B.只有边界点符合位移模式C.只有边界点和节点符合位移模式D.单元内任意点均符合位移模式 9.平面应力问题中(Z 轴与该平面垂直)，所有非零应力分量均位于（ ） A.XY 平面内 B.XZ 平面内 C.YZ 平面内 D.XYZ 空间内 12.刚架杆单元与平面三角形单元（ ）A.单元刚度矩阵阶数不同B.局部坐标系的维数不同C.无任何不同D.节点截荷和位移分量数不同 13.图示平面结构的总体刚度矩阵［Ｋ］和竖带矩阵［K *］的元素总数分别是（ ）A.400和200B.400和160C.484和200D.484和160 14.在有限元分析中，划分单元时，在应力变化大的区域应该（ ）A.单元数量应多一些，单元尺寸小一些B.单元数量应少一些，单元尺寸大一些C.单元数量应多一些，单元尺寸大一些D.单元尺寸和数量随便确定 15.在平面应力问题中，沿板厚方向（ ）A.应变为零，但应力不为零B.应力为零，但应变不为零C.应变、应力都为零D.应变、应力都不为零16.若把平面应力问题的单元刚度矩阵改为平面应变问题的单元刚度矩阵只需将（ ） A. E 换成E/(1-μ2)，μ换成μ/(1-μ2) B. E 换成E/(1-μ2)，μ换成μ/(1-μ) C. E 换成E/(1-μ)，μ换成μ/(1-μ2) D. E 换成E/(1-μ)，μ换成μ/(1-μ) 17.图示三角形单元非节点载荷的节点等效载荷为（ ） A.F yi =-100KN F yj =-50KN F yk =0 B. F yi =-80KN F yj =-70KN F yk =0 C. F yi =-70KN F yj =-80KN F yk =0 D. F yi =-50KN F yj =-100KN F yk =018.半斜带宽矩阵r 行s 列的元素对应于竖带矩阵元素( )。
有限元试题及答案
有限元试题及答案一、选择题1. 有限元方法是一种用于求解工程和物理问题的数值技术，其核心思想是将连续域划分为有限数量的离散子域。
以下哪项不是有限元方法的特点？A. 网格划分B. 边界条件处理C. 局部近似D. 整体求解答案：D2. 在有限元分析中，以下哪项不是网格划分的常见类型？A. 三角形网格B. 四边形网格C. 六边形网格D. 圆形网格答案：D3. 对于线性弹性问题，以下哪种元素类型不适用于有限元分析？A. 线性三角形元素B. 二次三角形元素C. 线性四边形元素D. 三次四边形元素答案：D二、填空题1. 在有限元分析中，单元刚度矩阵的计算通常涉及到单元的_________。
答案：形状函数2. 有限元方法中，边界条件可以分为_________和_________。
答案：Dirichlet边界条件；Neumann边界条件3. 有限元软件通常采用_________方法来求解大型稀疏方程组。
答案：迭代三、简答题1. 简述有限元方法的基本步骤。
答案：有限元方法的基本步骤包括：- 定义问题的几何域和边界条件。
- 将几何域划分为有限数量的小单元。
- 为每个单元定义形状函数。
- 计算单元刚度矩阵和载荷向量。
- 组装全局刚度矩阵和载荷向量。
- 施加边界条件。
- 求解线性方程组，得到节点位移。
- 计算单元应力和应变。
2. 为什么在有限元分析中需要进行网格划分？答案：网格划分是有限元分析中的一个重要步骤，因为它允许将连续的几何域离散化，使得问题可以被数值方法求解。
通过网格划分，可以： - 简化复杂几何形状的分析。
- 适应不同的材料属性和边界条件。
- 提供足够的细节以捕捉应力和位移的局部变化。
- 减少计算复杂度，提高求解效率。
四、计算题1. 假设有一个平面应力问题，已知材料的弹性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3。
请计算一个边长为10mm的正方形单元在单轴拉伸下的单元刚度矩阵。
答案：单元刚度矩阵\[ K \]可以通过以下公式计算：\[K = \frac{E}{(1-\nu^2)} \int_{\Omega} \left[ B^T B \right] d\Omega\]其中，\( B \)是应变-位移矩阵，\( \Omega \)是单元的面积。
有限元试题及答案
有限元试题及答案 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{}{}[][]eD B σδ=。
有限元复习题库
有限元复习一、选择题（每题1分，共10分）二、判断题（每空1分，共10分）三、填空题（每空1分，共10分）三、简答题（共44分）共6题四、综述题（共26分）两题一.基本概念1.平面应力/平面应变问题；空间问题/轴对称问题；杆梁问题；线性与非线性问题平面应力问题（1）均匀薄板（2）载荷平行于板面且沿厚度方向均匀分布在六个应力分量中，只需要研究剩下的平行于XOY平面的三个应力分量，即O、O、T =T （Q = 0, T =T = 0, T =T = 0）。
一般°Z=0，e z并不一定等于零，但可由\及°y求得，在分析问题时不必考虑。
于是只需要考虑8 J 8 J Ly三个应变分量即可。
平面应变问题（1）纵向很长，且横截面沿纵向不变。
（2）载荷平行于横截面且沿纵向均匀分布8z =Yyz="x= 0只剩下三个应变分量8X、8 y、L y。
也只需要考虑°J °y、T xy三个应力分量即可轴对称问题物体的几何形状、约束情况及所受外力都对称于空间的某一根轴。
轴对称单元的特点（与平面三角形单元的区别）：轴对称单元为圆环体，单元与单元间为节圆相连接；节点力与节点载荷是施加于节圆上的均布力；单元边界是一回转面；应变不是常量。
在轴对称问题中，周向应变分量卫是与二有关。
板壳问题一个方向的尺寸比另外两个方向尺寸小很多，且能承受弯矩的结构称为板壳结构，并把平分板壳结构上下表面的面称为中面。
如果中面是平面或平面组成的折平面，则称为平板；反之，中面为曲面的称为壳。
杆梁问题杆梁结构是指长度远大于其横断面尺寸的构件组成的系统。
在结构力学中常将承受轴力或扭矩的杆件称为杆，而将承受横向力和弯矩的杆件称为梁。
平面（应力应变）问题与板壳问题的区别与联系平面应力问题是指很薄的等厚度薄板，只在板边上受有平行于板面并且不沿厚度变化的面力，同时，体力也平行于板面并且不沿厚度变化。
而平面应变问题是指很长的柱形体，在柱面上受有平行于横截面并且不沿长度变化的面力，同时体力也平行于横截面并且不沿长度变化。
有限元试题及答案
有限元试题及答案一、选择题1.有限元分析是一种利用计算机数值方法进行结构分析的方法，下面哪个说法是正确的？A. 有限元分析对结构的约束条件没有要求B. 有限元分析只适用于静力分析C. 有限元分析可以用来研究结构的动力响应D. 有限元分析的计算结果一定是精确的答案：C2.有限元法的基本步骤包括以下几个环节：I. 离散化II. 单元划分III. 节点连接IV. 计算材料性质V. 施加边界条件VI. 构建刚度矩阵和载荷向量VII. 求解节点位移和应力VIII. 后处理与结果分析请问选择项中正确的顺序是：A. IV – I – II – III – V – VI – VII – VIIIB. I – II – III – IV – V – VI – VII – VIIIC. II – III – V – IV – VI – I – VII – VIIID. I – III – II – IV – V – VI – VII – VIII答案：B3.在有限元分析中，单元是指将结构划分为有限个小单元来近似表示结构的方法。
下面哪个选项给出了常用的结构单元类型？A. 三角形单元，四面体单元，六面体单元B. 矩形单元，六面体单元，圆形单元C. 圆形单元，矩形单元，六面体单元D. 四面体单元，矩形单元，三角形单元答案：D二、填空题1.有限元分析中，刚度矩阵的计算需要根据单元的_________和材料的_________计算得到。
答案：几何形状，物理性质2.有限元法最常用的数学插值函数是_________函数。
答案：形函数3.在有限元分析中，自由度是指结构中的每个_________未知量。
答案：位移三、计算题1.给定如图所示的二维结构，使用有限元法进行分析。
假设结构材料为线性弹性材料，其杨氏模量为200 GPa，泊松比为0.3。
结构整体尺寸为5m x 3m，单元尺寸为1m x 1m。
分析载荷为2000 N，施加在结构的中心节点上。
有限元复习题及答案
1.两种平面问题的根本概念和根本方程；答：弹性体在满足一定条件时，其变形和应力的分布规律可以用在某一平面内的变形和应力的分布规律来代替，这类问题称为平面问题。
平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。
平面应力问题设有张很薄的等厚薄板，只在板边上受到平行于板面并且不沿厚度变化的面力，体力也平行于板面且不沿厚度变化。
由于平板很薄，外力不沿厚度变化，因此在整块板上有：，，剩下平行于XY面的三个应力分量未知。
平面应变问题设有很长的柱体，支承情况不沿长度变化，在柱面上受到平行于横截面而且不沿长度变化的面力，体力也如此分布。
平面问题的根本方程为：平衡方程几何方程物理方程〔弹性力学平面问题的物理方程由广义虎克定律得到〕•平面应力问题的物理方程平面应力问题有•平面应变问题的物理方程平面应变问题有在平面应力问题的物理方程中，将E替换为、替换为，可以得到平面应变问题的物理方程；在平面应变问题的物理方程中，将E替换为、替换为，可以得到平面应力问题的物理方程。
2弹性力学中的根本物理量和根本方程；答：根本物理量有：空间弹性力学问题共有15个方程，3个平衡方程，6个几何方程，6个物理方程。
其中包括6个应力分量，6个应变分量，3个位移分量。
平面问题共8个方程，2个平衡方程，3个几何方程，3个物理方程，相应3个应力分量，3个应变分量，2个位移分量。
根本方程有：1.平衡方程及应力边界条件：平衡方程：边界条件：2.几何方程及位移边界条件：几何方程：边界条件：3.物理方程:3.有限元中使用的虚功方程。
对于刚体，作用在其上的平衡力系在任意虚位移上的总虚功为0，这就是刚体的平衡条件，或者称为刚体的虚功方程。
对于弹性变形体，其虚位移原理为：在外力作用下处于平衡的弹性体，当给予物体微小的虚位移时，外力的总虚功等于物体的总虚应变能。
设想一处于平衡状态的弹性体发生了任意的虚位移,相应的虚应变为,作用在微元体上的平衡力系有〔X,Y,Z〕和面力。
外力的总虚功为实际的体力和面力在虚位移上所做的功，即：在物体产生微小虚变形过程中，整个弹性体内应力在虚应变上所做的功为总虚应变能，即：其中为弹性体单位体积内的应力在相应的虚应变上做的虚功，由此得到虚功方程：4.节点位移，单元位移及它们的关系。
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有限元考试试题及答案一、简答题（5道，共计25 分）。
1. 有限单元位移法求解弹性力学问题的基本步骤有哪些？（5 分）答：（1）选择适当的单元类型将弹性体离散化；（2）建立单元体的位移插值函数；（3）推导单元刚度矩阵；（4）将单元刚度矩阵组装成整体刚度矩阵；（5）代入边界条件和求解。
2. 在划分网格数相同的情况下，为什么八节点四边形等参数单元精度大于四边形矩形单元？（5 分）答：在对于曲线边界的边界单元，其边界为曲边，八节点四边形等参数单元边上三个节点所确定的抛物线来代替原来的曲线，显然拟合效果比四边形矩形单元的直边好。
3. 轴对称单元与平面单元有哪些区别？（5 分）答：轴对称单元是三角形或四边形截面的空间的环形单元，平面单元是三角形或四边形平面单元；轴对称单元内任意一点有四个应变分量，平面单元内任意一点非零独立应变分量有三个。
4. 有限元空间问题有哪些特征？（5 分）答：（1）单元为块体形状。
常用单元：四面体单元、长方体单元、直边六面体单元、曲边六面体单元、轴对称单元。
（2）结点位移3 个分量。
（3）基本方程比平面问题多。
3 个平衡方程，6 个几何方程，6 个物理方程。
5. 简述四节点四边形等参数单元的平面问题分析过程。
（5）分）答：（1）通过整体坐标系和局部坐标系的映射关系得到四节点四边形等参单元的母单元，并选取单元的唯一模式；（2 ）通过坐标变换和等参元确定平面四节点四边形等参数单元的几何形状和位移模式；（3 ）将四节点四边形等参数单元的位移模式代入平面问题的几何方程，得到单元应变分量的计算式，再将单元应变代入平面问题的物理方程，得到平面四节点等参数单元的应力矩阵；（4）用虚功原理求得单元刚度矩阵，最后用高斯积分法计算完成。
二、论述题（3 道, 共计30 分）。
1. 简述四节点四边形等参数单元的平面问题分析过程。
（10 分）答：（1）通过整体坐标系和局部坐标系的映射关系得到四节点四边形等参单元的母单元，并选取单元的唯一模式；（2）通过坐标变换和等参元确定平面四节点四边形等参数单元的几何形状和位移模式；（3）将四节点四边形等参数单元的位移模式代入平面问题的几何方程，得到单元应变分量的计算式，再将单元应变代入平面问题的物理方程，得到平面四节点等参数单元的应力矩阵；（4）用虚功原理求得单元刚度矩阵，最后用高斯积分法计算完成。
2013年(春)重庆大学研究生矩阵理论试题及答案
重庆大学硕士研究生《矩阵论》课程试卷2012 ~2013 学年 第 二 学期（春）开课学院： 数学与统计 课程编号： 考试日期：考试方式： 考试时间： 120 分钟一、判断题。
(每题3分，共30分)(1) 平面上全体向量构成的集合，按通常的向量加法及如下定义的数乘运算0k α⋅=，在实数域上构成线性空间。
（×） (2) 全体正实数构成的集合，其加法和数乘定义为αβαβ⊕=，0kα=，则该集合在实数域上构成的线性空间是1维的。
（v ） (3)若12x u x ⎛⎫= ⎪⎝⎭,12y v y ⎛⎫= ⎪⎝⎭，则1112(,)1u v x y x y =++是2R 中的内积。
( ×) (4) 在矩阵空间n nR ⨯中，定义 X BXC =其中B,C 为给定的矩阵，则 是线性变换。
（v ）(5) 平面上逆时针旋转θ角的线性变换在基(1,0),(0,1)之下的矩阵表示为cos sin sin cos θθθθ-⎛⎫⎪⎝⎭。
（v ） (6) 任何一种矩阵范数必有与之相容的向量范数。
( v )(7) A 为方阵，则21112!!A n e A A A n =+++++。
（×）(8)设矩阵()12,,,n A ααα=，A 经过有限次行初等变换变为()12,,,n B βββ=, 则123,,k k k ααα与123,,k k k βββ有相同的线性相关性，其中{1,2,,}i k n ∈。
( v )(9) 当A 为列满秩实矩阵时，则1()T T A A AA +-=。
(× ) (10) 若n 阶矩阵A 有n 个两两不相交的圆盘，则A 可相似对角化。
( v) 二、计算题（共45分）1. （10分）设3[]K x 的两基为：(I)2231234()1,()1,()1,()1f x f x x f x x x f x x x x ==+=++=+++(II) 2323231234()1,(),()1,()1g x x x g x x x x g x x x g x x x =++=++=++=++ 求(1) 由基(I)到基(II)的过渡矩阵；(2) 求基(I)和基(II)下有相同坐标的全体多项式。
有限元复习题答案
1、何为有限元法？其基本思想是什么？有限元法是一种基于变分法而发展起来的求解微分方程的数值计算方法，该方法以计算机为手段，采用分片近似，进而逼近整体的研究思想求解物理问题。
基本思想是化整为零集零为整。
2、为什么说有限元法是近似的方法，体现在哪里？有两点：用离散单元的组合体来逼近原始结构，体现了几何上的近似；而用近似函数逼近未知变量在单元内的真实解，体现了数学上的近似。
3、单元、节点的概念？节点：表达实际结构几何对象之间相互连接方式的概念单元：网格划分中的每一个小部分称为单元，网格间相互联结点称为节点4、有限元法分析过程可归纳为几个步骤？结构离散化、单元分析、整体分析5、有限元方法分几种？本课程讲授的是哪一种？位移法、力法、混合法本课程讲授位移法6、弹性力学的基本变量是什么？何为几何方程、物理方程及虚功方程？弹性矩阵的特点？弹性力学变量:外力、应力、应变和位移。
描述弹性体应变分量与位移分量之间的方程称为几何方程；物理方程描述应力分量与应变分量之间的关系；弹性体上外力在虚位移发生过程中所做的虚功与储存在弹性体内的需应变能相等。
弹性矩阵由材料的弹性模量和泊松比确定，与坐标位置无关。
7、何为平面应力问题和平面应变问题？平面应力问题：在结构上满足a几何条件：研究对象是等厚度薄板。
b载荷条件：作用于薄板上的载荷平行于板平面且沿厚度方向均匀分布，而在两板面无外力作用。
平面应变问题：满足a几何条件：长柱体，即长度方向的尺寸远远大于横截面的尺寸，且横截面沿长度方向不变。
b载荷条件：作用于长柱体结构上的载荷平行于横截面且沿纵向方向均匀分布，两端面不受力两条件的弹性力学问题。
1、何为结构的离散化？离散化的目的？何为有限元模型？①离散化:把连续的结构看成由有限个单元组成的集合体。
②目的：建立有限元计算模型③通常把由节点,单元及相应的节点载荷和节点约束构成的模型称为有限元模型2、结构离散化时，划分单元数目的多少以及疏密分布，将直接影响到什么？确定单元数量的原则？通常如何设置节点？①单元的数量要根据计算精度的要求和计算机的容量来确定，因此在保证精度的前提，力求采用较少的单元。
2013研究生有限元考题
2012级研究生第二学期课程考试
考试科目：有限元试题
说明：1、答案一律写在答题纸上；
2、答题时请写清题号，不必抄题。
一、计算题（50分）（写出详细步骤，只写结果不得分）
题一图所示为一均质薄板结构，板厚为0.1m，板的材料为各向同性，弹性模量E=2⨯1011Pa，泊松比μ=0，承受载荷沿厚度分布不变。
试用有限元法计算左上角三角形边中点A、B的位移。
（建议利用对称性建立有限元分析模型，采用3节点三角形单元分析，为手算方便，单元个数不宜过多。
）
题一图
二、有限元建模题（共50分）（必须指出问题类型，并对研究部分划分网格、施加约束条件）。
1.（25分）如题2-1图所示为两端固支的矩形截面梁，跨度为a ，梁高为b ，梁厚为h ，承受均布压力作用，压力集度为q ，且该压力沿梁厚分布不变。
设梁自重不计，材料为各向同性，试建立如下情形下静力分析的有限元模型。
⑴ a 、b 属于同一数量级，h <<a ，h <<b
⑵ b 、h 属于同一数量级，a >>b ，a >>h
2.（25分）如题2-2图所示为由两种材料粘
合而成的飞轮，以角速度 绕铅垂轴z 匀
速转动，设内径r =0.1m ，各层径向厚度为
r =0.15m ，自重不计。
试建立如下两种情形
下飞轮的有限元分析模型。
⑴飞轮厚度h =0.01m ；
⑵飞轮厚度h =0.6m 。
题2-1图
题2-2图。
2013有限元期末大作业答案
一等参单元及其应用 (1)1概述 (1)1.1 等参单元的概念 (1)1.2 等参单元的原理 (1)1.3 工程应用的意义 (2)2等参单元的数值积分方法 (3)2.1 数值积分方法 (3)2.2 确定积分阶的原理 (3)2.3 全积分单元与减缩积分单元讨论 (4)3线性等参单元和非协调元 (5)4等参单元的应用 (6)二分析与计算 (6)1计算题一 (6)2计算题二 (7)3计算题三 (8)5计算题四 (9)三上机实验 (13)3.1实验一 (13)3.1.1 实验题目 (13)3.1.2 实验目的 (14)3.1.3 建模概述 (14)3.1.4 计算结果分析与结论 (15)3.1.5 实验体会与总结 (23)3.2实验二 (24)3.2.1实验题目 (24)3.2.2实验目的 (24)3.2.3 建模概述 (25)3.2.4 计算结果分析与结论 (26)3.2.5 实验体会与总结 (27)3.3实验三 (27)3.3.1实验题目 (27)3.3.2实验目的 (27)3.3.3建模概述 (28)3.3.4计算结果分析与结论 (28)3.3.5实验体会与总结 (39)一、课程论文：等参单元原理及应用1、等参单元概述1.1概念在有限元的学习中，我们在书本上经常可以看到三角形单元及四边形单元的应用，其边界都是直线和平面，对于结构复杂的曲边和曲面外形，只能通过减小单元尺寸，增加单元数量进行逐渐进行逼近，这样自由度的数目随之增加，并且使得计算时间长，工作量大。
另外这些单元的位移模式是线性模式，是实际位移模式的最低级逼近模式，问题的求解精度收到了很大的限制。
从本学期书本的学习中了解到，之前介绍的各种2、3维单元主要受到两个方面的约束：第一是单元的精度，显然单元的节点数越多，单元精度越高。
因此在这一点上，矩形单元优于3节点三角形单元，六面体单元优于四面体单元；第二是单元几何上的限制，上述矩形和六面体单元都不能模拟任意形状几何体，所有几种单元都是直线边界，处理曲边界几何体误差较大。
研究生 有限元复习题
有限元复习题：一、变分原理部分:1、什么是弹性体的虚位移？2、什么是弹性体的虚位移原理的条件和结论？和刚体的虚位移原理有何区别？3、谈谈虚位移原理在有限元建模中的应用。
二、弹性力学平面问题一、平面应力问题1、弹性力学平面应力问题有什么几何特征、载荷特征和应力特征？2、简要叙述平面应力问题有限元位移法分析步骤，并给出主要公式。
3、 有限元求解弹性力学问题时要保证解答收敛的必要条件是什么(单元的位移多项式要满足什么条件)？4、单元的刚度方程()()()[]{}{}e e e k F δ=反映的物理意义是什么？推导这一单元刚度方程的方法主要有哪些？ (结点平衡法，虚位移原理，最小势能原理等) 单元刚度矩阵中任意一个元素rs k 的物理意义是什么？5、什么是等参单元？说明平面问题的四边形四结点、四边形八结点单元是等参单元。
6、有限元位移法分析弹性力学平方面问题时如果采用四边形八结点单元，选取的位移函数多项式包括那些项(用直角坐标x , y 表示)？7、简要叙述平面刚架有限元分析步骤。
给出主要公式。
8、试问六面体八结点空间单元的位移函数多项式中都包含了那些项（用直角坐标表示）？9、图1示为一等腰直角三角形单元，设弹性模量为 1.0E =，波松比0μ=，试求： （1）、形函数矩阵[N ] （2）、几何矩阵[B ]aai jmxy图1 图210、图2所示为一平面区域的三角形网格划分，试进行单元和节点编号，使整体刚度矩阵的带宽最小，计算出半带宽（半带宽=（最大结点码的差值-1）⨯2），并标出整体刚度矩阵中的零元素。
11、四边形四节点等参单元的坐标变换为41(,)(,)ii i x x Nx ξηξη===∑，41(,)(,)iii y y Ny ξηξη===∑其中(,)x y 为表示结构实际尺寸和几何形状的直角坐标系；(,)ξη为无量纲曲线坐标，且有11ξ-≤≤，11η-≤≤。
i N (,)ξη是(,)ξη的已知函数。
有限元试题和答案
一。
简答题：1.轴对称体上作用正对称形式的载荷时，沿坐标,,r z θ的三个分量(,,)r P r z θ，z (,,)P r z θ和(,,)P r z θθ有何特点？（P85）(,,)r P r z θ和z (,,)P r z θ是偶函数，傅里叶级数展开式中不含sin k θ，(,,)P r z θθ是奇函数，傅里叶级数展开式中不含cos k θ。
2.某单元的节点上，既有位移自由度又有转动自由度，试述此单元的协调性要求？（P27） 在交界面上满足变形协调条件，变形后既不分裂，也不重叠，从而保证了整个结构的位移连续。
3.用泛函变分求解弹性力学的场问题时，为什么只需要考虑几何边界条件？（P179） 泛函求极值与求满足位移及力边界条件的平衡方程的解是完全等价的。
利用变分求解只需要满足位移边界条件，而力边界条件是在求解泛函的极值中自动满足的。
4.写出用位移梯度表示的格林应变张量和阿尔曼西应变张量，并证明他们的参考变形？（P201）格林应变张量1=+2j i k k ij j i i j u u u u E x x x x ∂∂∂∂∂∂∂∂（+） 阿尔曼西应变张量1=+2j i k k ij j i i ju u u u e x x x x ∂∂∂∂∂∂∂∂（-） 5.写出接触问题中的运动学条件和动力学条件？（P225）运动学条件：满足不可贯穿条件，对于两个接触物体，可表示为0ABV V ⋂=动力学条件:要求连个物体接触面的合力为零0ABq q += 二、三角形单元的位移为：012012(cos 1)(sin )(sin )(cos 1)u u x x v v x x θθθθ=+-+-=++-式中0u 和0v 分别为1x 和2x 方向的刚体位移，θ为逆时针绕原点的刚体转角。
计算单元的柯西应变和格林应变。
证明此位移为刚体运动。
（P201） 解：柯西应变:11=cos 1u x εθ∂=-∂，22=cos 1v x εθ∂=-∂，12212=+sin sin 0u v x x εθθ∂∂=-+=∂∂ 格林应变：1111111111=+(cos 1cos 1(cos 1)(cos 1)sin sin )022u u u u v v E x x x x x x θθθθθθ∂∂∂∂∂∂+-+-+--+=∂∂∂∂∂∂（+）=122121121211==+(sin sin (cos 1)(sin )sin (cos 1))022u v u u v v E E x x x x x x θθθθθθ∂∂∂∂∂∂+-++--+-=∂∂∂∂∂∂（+）=2222222211=+(cos 1cos 1(cos 1)(cos 1)sin sin )022v v u u v v E x x x x x x θθθθθθ∂∂∂∂∂∂+-+-+--+=∂∂∂∂∂∂（+）=三 周向有集中载荷作用的悬臂梁，弯曲刚度为EI ，（1）建立梁的总势能表达式，（2）假定瑞利-里茨能为2323w C x C x =+，计算梁的挠度表达式。
重庆大学2013年考研材料力学真题
一、单项选择题（每题只有一个正确答案。
每小题3分，共33分）。
1．铸铁试件受压破坏的主要原因是…………………………【】。
A．max []σσ>； B．max []ττ> C．1[]σσ> D．3[]σσ>2．图示四根杆件均受集中力作用，杆的横截面面积为A，可用公式FAτ=计算横截面切应力的杆件是…………………………………………………【】。
3．受力体中某点A的应力状态正确的是……………………………【】。
4．图示半圆形截面，其形心的坐标y c为……………………【】。
A、23dπB、6dC、34dπD、4dF Fδτ2τ第1页共5页5．材料相同、横截面面积相同的四种截面梁，绕z 轴转动产生弯曲变形，按正应力强度考虑，承载能力最高的截面为…………………………………【 】。
6．图示简支梁，已知C 点的挠度为y ，在其他条件不变的情况下，若梁的跨度增加一倍（力的作用点到支座的距离以及C 点到支座的距离同时增加一倍），则C 点的挠度为…………………………………………【 】。
A 、8y ；B 、4y ；C 、2y ；D 、0.5y 。
7．研究一点的应力状态的目的是……………【 】。
A 、了解不同横截面上的应力变化；B 、了解横截面上的应力随外力的变化情况；C 、找出同一横截面应力变化的规律；D 、找出一点在不同方向截面上的应力变化规律。
8．图示圆形截面轴（32/3d W z π=）受力如图, 按第三强度理论进行强度校核，其相当应力3r σ为：………………………【 】。
（A）FA(B)ZF A W +9．当偏心压力作用在截面核心的边界以内时，截面上中性轴将……【 】。
A. 通过截面的形心；B. 与截面相离；C. 与截面周边相切；D. 与截面形心相距无穷远。
10． 图示等直杆在力1F 单独作用下，其伸长为1l ∆；在力2F 单独作用下，其伸长为2l ∆；则在力1F 、2F 同时作用时，关于该杆应变能的下列选项中，错误的是……【 】。
有限元复习题库.doc
板壳申元
4
3
四面体单元
4
3
3.
有限元法的基本思想：离散、分片插值；其中离散的思想吸收了差分法的启
/J、O
有限元分析的基本步骤：数学建模（问题分析），结构离散（第一次近似）,单元分析（位移函数，单刚方程）（第二次近似），整体分析与求解（总刚度方程,引入约束，解方程组求节点位移，根据节点位移求应力），结果分析及后处理。
杆梁问题
杆梁结构是指长度远大于其横断面尺寸的构件组成的系统。在结构力学中常将承受轴力或扭矩的杆件称为杆，而将承受横向力和弯矩的杆件称为梁。
平面（应力应变）问题与板壳问题的区别与联系
平面应力问题是指很薄的等厚度薄板，只在板边上受有平行于板面并且不沿厚度变化的面力，同吋，体力也平行于板面并且不沿厚度变化。而平面应变问题是指很长的柱形体，在柱面上受冇平行于横截面并且不沿长度变化的面力，同吋体力也平行于横截面并且不沿长度变化。板壳问题的弹性体受乘直于板而的力的作用，板将变成有弯有扭的曲而。
的位移减小。
9.
虚功原理：在力的作用下处于平衡状态的体系，当发生与约束条件相符合的任意微小的虚刚体位移吋，体系上所有的主动力在虚位移上所作的总功（各力所作的功的代数和）恒等于零。
最小势能原理：表明在满足位移边界条件的所宥可能位移中，实际发生的位移使弹性体的势能最，与位移函数有相同的阶次。
2）形函数Ni在i节点处的值等于1，而在其他节点上的值为0。
3）单元内任一点的形函数之和恒等于1。
4）形函数的值在问变化。
11.
单元刚度矩阵的性质特点：
（1）对称性（2）奇异性，|K|=0（3）主对角线元素恒为正值（4）奇偶行元素之和分别为零（各行或各列元素之和为零）
物理意义：
有限元考试复习题
第1章 杆件结构1.1 单元刚度如何叠加成结构的整体刚度矩阵？为什么这样叠加？如何从刚度矩阵的物理意义去理解此叠加关系？叠加成的整体刚度矩阵又有什么特点？答：（1）首先对杆件结构进行自然离散，并对其进行节点编号和单元编号，然后通过坐标转换公式将局部坐标系下的单元刚度矩阵转换为整体坐标系下的单元刚度矩阵。
将所得的单元刚度矩阵按节点编号进行组装，即可形成整体刚度。
（2）这样的叠加方法条理清晰，便于电脑程序编程，分块进行，效率较高，且尤其适用于大量杆件结构体系，将所有的计算程序化后，大大节省了时间，并且精度较高。
（3）刚度矩阵的物理意义是表示结构或构件单元在单位位移或变形下所能承受的力的大小。
通过单元刚度矩阵建立单元节点力与节点位移之间的关系，通过整体刚度矩阵建立所受外荷载与整体位移之间的关系。
通过单元刚度矩阵叠加构建整体刚度矩阵，则建立起了结构整体外荷载与整体位移之间的方程，进而通过求得的整体位移进一步求出单元之间的节点位移，并最终求得各单元之间的节点力。
（4）特点：1）对称性。
由于杆单元的单刚是对称矩阵，则由它们集成的总刚也具有对称性。
2)奇异性。
即无论是单刚还是总刚都是奇异的，它们不存在逆阵。
3)存在相当数量的零元素。
由于杆系结构的特点，一个节点可能只连接少数几个单元，因此可能与周围邻近的几个节点之间存在非零的元素。
1.2 如图所示的圆杆，由两个不同截面的杆件（1）与（2）组成，在节点1，2，3上作用有轴向节点载荷1Q 、2Q 、3Q 而平衡。
试写出3个轴向载荷与节点的轴向位移1u 、2u 、3u 之间的矩阵关系。
解：杆件1的单元刚度矩阵为：[]1111111EA k l -⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦；杆件2的单元刚度矩阵为：[]2221111EA k l -⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦； 结构的整体刚度矩阵为：1111111112112211222122111211222221222222EA EA l l k k EA EA EA EA K k k k k l l l l k k EA EA l l ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥=+=-+-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥-⎢⎥⎣⎦而又12l l L ==，所以11112222A A E K A A A A L A A -⎡⎤⎢⎥=-+-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦令节点位移向量为{}123,,Tu u u δ=，节点力为{}123,,TF Q Q Q =，从而可得3个轴向载荷与节点的轴向位移其关系为11112112223223Q A A u E Q A A A A u L Q A A u -⎧⎫⎡⎤⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎢⎥=-+-⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎪⎪⎢⎥-⎩⎭⎣⎦⎩⎭1.3 如图所示为三角桁架，已知25/101.2mm N E ⨯=，两直边的长度m l 1=，各杆的截面积21000mm A =，求此结构的整体刚度矩阵[]K ，若节点的编号改变后，问[]K 的有无变化？解：杆件的单元刚度矩阵为：[]1111ii iEA k l -⎡⎤'=⎢⎥-⎣⎦，从而可得各个单元在局部坐标系下的单元刚度矩阵为：[]11111EA k l -⎡⎤'=⎢⎥-⎣⎦；[]21111EA k l -⎡⎤'=⎢⎥-⎣⎦；[]31111k -⎡⎤'=⎢⎥-⎣⎦平面杆单元坐标转置矩阵：cos sin cos sin T αααα⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，而又00012390045ααα===-、和，从而各个单元的坐标转置矩阵分别为：10101T ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦；21010T ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦；3222T ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎢-⎢⎣⎦根据上面给出的坐标转置矩阵，可得各个单元在整体坐标系下的单元刚度矩阵为[][]1111000000101101000101001100010000010101T EA EA k T k T l l ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥--⎡⎤⎡⎤'⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦[][]2222101010001110000000011100101010000000T EA EA k T k T l l -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥-⎡⎤⎡⎤'⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦[][]3333101111101111001111011100111111011111T k T k T --⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥-----⎡⎤⎡⎤'⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎥⎢⎥----⎣⎦⎣⎦⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦令节点位移向量为{}112233,,,,,Tu v u v u v δ=，节点力为{}112233,,,,,Tx y x y x y F q q q q q q =，按照整体刚度矩阵的拼装原则，可得[]1010000100011010000011 EAKl-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎣⎦若节点的编号改变后，[]K会发生变化，但是并不影响最终的计算结果。
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1.结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.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（×）4.用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析（×）5.一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好（√）6.四结点四边形等参单元的位移插值函数是坐标x、y的一次函数√7.在三角形单元中其面积坐标的值与三结点三角形单元的结点形函数值相等。
√8.等参单元中Jacobi行列式的值不能等于零。
√9.四边形单元的Jacobi行列式是常数。
×10.等参元是指单元坐标变换和函数插值采用相同的结点和相同的插值函数。
√11.有限元位移模式中，广义坐标的个数应与单元结点自由度数相等√12.为了保证有限单元法解答的收敛性，位移函数应具备的条件是位移函数必须能反映单元的刚体位移和常量应变以及尽可能反映单元间的位移连续性。
√13.在平面三结点三角形单元中，位移、应变和应力具有位移呈线形变化，应力和应变为常量特征。
√1.梁单元和杆单元的区别？(自己分析:自由度不同)杆单元只能承受拉压荷载，梁单元则可以承受拉压弯扭荷载。
具体的说，杆单元其实就是理论力学常说的二力杆，它只能在结点受载荷，且只有结点上的荷载合力通过其轴线时，杆件才有可能平衡，像均布荷载、中部集中荷载等是无法承担的，通常用于网架、桁架的分析；而梁单元则基本上适用于各种情况（除了楼板之类），且经过适当的处理（如释放自由度、耦合等），梁单元也可以当作杆单元使用。
2.有限单元法结构刚度矩阵的特点？对称性，奇异性，主对角元恒正，稀疏性，非零元素呈带状分布。
3.有限单元法的收敛性准则？完备性要求，协调性要求。
位移模式要满足以下三个条件包含单元的刚体位移。
当结点位移由体位移引起时，弹性体内不会产生应变。
包含单元的常应变。
与位置坐标无关的应变。
位移模式在单元内要连续，在相邻单元之间的位移必须协调。
当选择多项式来构成位移模式时，单元的连续性总得到满足，单元的协调性就是要求单元之间既不会出现开裂也不会出现重叠的现象。
4.任何一个有限元分析问题都是空间问题，什么情况下可以简化为平面问题？轴对称问题？空间梁问题？为什么？当物体具有特殊形状，受特殊的外力特殊的位移约束时，空间问题就可以简化成平面问题，此时，问题的几何和力学量仅仅是二维坐标的函数，所求未知力学量只是二维空间内的分量，因为平面问题模型下所得到的结果能满足工程上的精度要求，而分析计算工作量大大减少，如卷土墙、重力坝。
如果弹性体的几何形状、约束状态以及外载荷都对称于某一根轴（过该轴的任意平面都是对称平面），那么弹性体的所有应力分量、应变分量和位移分量也就对称于这根轴，这样的问题就可以转换为轴对称问题，因为轴对称问题是平面图形绕面内一轴旋转所产生的空间物体，如烟囱、储液灌等受恒载作用。
当构件的长度远大于其横截面尺寸，主要承受弯曲变形时，如传动轴、梁杆等，这样的问题就可以转换为空间梁问题。
5、什么是等参元？等参元有哪些优点？6.阐述有限元的基本思想。
试从有限元程序开发和采用成熟软件进行有限元分析两方面阐述(自己总结)。
有限元的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个结点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。
由于单元的数目是有限的，结点的数目也是有限的，所以称为有限单元法。
有限元程序开发：有限元程序分为前处理，有限元分析本体以及后处理三个部分。
本体部分集中了原理和数值方法，根据离散模型的数据文件进行分析。
离散模型的数据文件主要包括模型的结点数、结点坐标、单元编码、材料和载荷信息等。
实际工程问题的离散模型数据文件十分庞大，有限元程序必须有前处理程序自动地或半自动地生成离散模型的数据文件并绘制结构计算简图和网格图。
有限元分析程序的计算结果是由离散模型而得到的，输出的数据量大不易整理，因此它还应具有较强的后处理功能，使其能够提供应力云图等图形，以及列表显示或打印结果。
成熟软件：有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。
前处理器定义单元类型，定义实常数，定义材料属性，创建实体几何模型，划分网络；求解器定义分析类型，施加载荷和位移约束条件，求解；后处理器提供结果输出。
7.有了本门课程的有限元分析技术基础，如果以后涉足机械方面的有限元分析，你觉得应从哪些方面深化学习和开展工作，具体采用哪些方式？有限元分析技术是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具，在许多科学领域得到了广泛的应用。
针对以后所涉及的机械结构有限元分析问题，我觉得应从以下几个方面深化学习：①熟练掌握有限元的相关理论和知识，对理论力学、材料力学以及结构力学有一定的了解，能够将工程实际问题简化为合理的力学模型。
②有限元最终是通过程序实现的，有限元的理论研究与编程密不可分。
应用有限元程序演算力学问题，是深化学习有限元的必要手段。
③将有限元分析技术更多的运用到工程实际问题中，通过实践来获得处理工程问题的经验，加深有限元的学习。
措施：阅读书籍，掌握有限元相关的理论知识；在网络论坛与大家分享学习的经验；具体实例操作；争取参加相关项目,通过团队实践合作了解相关知识. 深化学习.开展工作(经过这个学习及两个这段时间的学习.我了解到从事有限元分析一种是使用有限元软件分析工程问题,另一种是对软件进行补丁升级,当然在使用的过程中发现问题,从而进一步开发升级软件也是一种方式.从目前来看,以后主要从事的是软件开发升级工作.这就要求不仅是软件的使用,还有掌握一定计算机软件开发语言,例如C,C++,BCB.对于自己的研究方向有认识,多和团队成员讨论请教,加快融入项目组. 1)掌握理论,包括专业的理论力学,材料力学,结构力学等,还有开发相关书籍,C,C++,BCB 等.2)了解相关软件的思想,例如本门课程了解的就是ANSYS 的基本思想.利用网络资源收集相关资料.3)运用所开发的软件到实际,发现问题,解决问题.1、 对于图示划分为三角形单元平面结构，写出整体刚度矩阵的表达式。
（即只组集总体刚度矩阵，不计算单元刚度矩阵）解：对各单元节点编号，各单元刚度矩阵为：[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1111121131211221231311321331k kk k kk k k k k []⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=2442432422342332322242232222k kk k k k k k k k []⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=3333343353433443453533543553k kk k k kk k k k []⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=4664654644564554544464454444k kk k k kk k k k 组集各单元刚度矩阵，得到总体刚度矩阵：[][][][][][][][][][][][][][][][][][][][][][][][][]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+++++++++=466465464454354454354353444344244343243242333233133232132131222122121111k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k 对称122、试利用形函数的性质求出图示四节点矩形单元的形函数分量),(1ηξN 。
解：根据形函数性质：⎩⎨⎧≠==j i ji x x N j i i 01),( 对于结点1而言，),(1ηξN 在结点2、3、4处的值为0。
而通过结点2、3 的直线方程和通过结点3、4的直线方程分别为：01=-ξ，01=-η故设：()()ηξβηξ--=11),(1N而结点1的形函数),(1ηξN 在结点1处的值为1，故将结点1的坐标代入上式，得()()111111)1,(1=++=--βN 解得4/1=β因而()()ηξηξ--=1141),(1N3、如图桁架单元，结点坐标如图所示，已知面积210cm A =，材料GPa E 0.2=，整体坐标下的位移为{}{}cm e2100.40.20.15.1-⨯=∆。
试确定两结点的轴向位移{}e '∆和杆的应力。
解：()()()())(501040105022212212cm y y x x l =-+-=-+-= 8.0501050cos 12=-=-=l x x α ξη(-1 -1)1 234(1 -1)(1 1) (-1 1)6.0501040sin 12=-=-=l y y α 2）求结点位移由式（13-16），注意到0''==j i v v ，得{}⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎭⎬⎫⎩⎨⎧=∆j j i i j i e v u v u u u ααααsin cos 000sin cos ''' )(100.48.1100.40.20.15.16.08.000006.08.022cm --⨯⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⨯⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡= 3）求解杆应力 由式（13-24）[]{}[]2629/108.8100.40.20.15.16.08.06.08.050102sin cos sin cos cm N lEe⨯=⨯⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--⨯=∆--=-αααασ。