有限元分析基本理论、方法和应用
计算电磁学中的有限元方法
计算电磁学中的有限元方法随着计算机技术的不断发展和应用，计算电磁学研究的范围和深度不断提高，其应用领域也越来越广泛。
有限元方法是计算电磁学研究中重要的数值分析方法之一，其可模拟复杂电磁场问题，有着广泛的应用。
本文将简要介绍计算电磁学中的有限元方法的一些基本原理和应用。
一、有限元法基本理论有限元方法是数值分析中一种重要的数学工具，其基本思想是将整个计算区域分割成若干个简单的单元，然后在每个单元内选取一个适当的基函数，通过求解基函数系数来表示数值解。
这种思想很容易扩展到计算电磁场问题上，因为电磁场分布可以被视为由一些小电磁场单元组成。
有限元方法的基本过程包括建立有限元模型、离散化、求解以及后处理。
其中建模是有限元方法中最重要的一个环节。
在建模过程中，首先需要选取合适的计算区域，并将其离散化为若干个小单元（如三角形、四边形等）。
然后，我们需要选取适当的基函数，并确定它们所对应的系数的初始值。
一旦有限元模型被建立，我们就可以进行求解了。
具体来说，有限元法的求解过程需要求解一个大规模的稀疏矩阵方程，其中系数矩阵和右侧向量都与电磁场有关。
这个过程需要借助计算机的优势，通过矩阵解法算法完成求解。
最后，我们通过后处理来获得我们需要的电磁场信息或工程参数，例如电势、磁场强度、感应电动势等。
二、有限元法应用领域有限元法在计算电磁学中广泛应用。
其应用范围涉及电机、变压器、电力电子、雷达、电磁兼容等多个领域。
有限元法可用于仿真复杂的电磁场分布问题，例如在电机设计中，有限元法可用于电机磁场分析、电机振动分析以及谐波分析等。
在电力电子领域中，有限元法可用于设计电感元件和变压器等。
另外，有限元法在雷达技术中也有着广泛的应用，可用于雷达天线设计和仿真。
三、有限元法的优缺点有限元法作为一种数值分析方法，具有一定优缺点。
有限元法的主要优点在于它具有很强的适应性和通用性，可用于模拟各种复杂的材料和几何形状。
此外，有限元法允许我们针对不同的模型选择不同的元素类型和元素尺寸，因此可以根据实际需求自由选择不同的模型。
有限元基础及应用
（3）以单元节点位移作为未知量，选择适当的 位移函数来表示单元中的位移，再用位移函数 求单元中的应变，根据材料的物理关系，把单 元中的应力也用位移函数表示出来，最后将作 用在单元上的载荷转化成作用在单元上的等效 节点力，建立单元等效节点力和节点位移的关 系。这一过程就是单元特性分析。
（2）对于静不定问题，则需要变形协调方程， 才能求解出应力变量，在构建问题的变形协调 方程时，则需要一定的技巧；
（3）若采用位移作为首先求解的基本变量，则 可以使问题的求解变得更规范一些，下面就基 于 A、B、C 三个点的位移 来进行以上问题的 求解。
方法二：节点位移求解及平衡关系
要求分别针对每个连接节点，基于节点的位移来构建 相应的平衡关系，然后再进行求解。
五、有限元法的发展与应用
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。
（一）算法与有限元软件
从二十世纪60年代中期以来，进行了大 量的理论研究，不但拓展了有限元法的应 用领域，还开发了许多通用或专用的有限 元分析软件。 理论研究的一个重要领域是计算方法的研 究，主要有： 大型线性方程组的解法； 非线性问题的解法； 动力问题计算方法。
虚功原理与虚功方程
虚功原理表述如下：
在力的作用下处于平衡状态的体系，当发生与约束条件相 符合的任意微小的刚体位移时，体系上所有的主动力在位移 上所作的总功(各力所作的功的代数和)恒对于零。
标准化过程
单元节点内力
单元节点位移 单元节点外力
单元节点的内力与外力平衡： 即：
有限元分析及应用课件
设置材料属性、单元类型等参数。
求解过程
刚度矩阵组装
根据每个小单元的刚度，组装成全局的刚度矩阵。
载荷向量构建
根据每个节点的外载荷，构建全局的载荷向量。
求解线性方程组
使用求解器（如雅可比法、高斯消元法等）求解线性方程组，得到节点的位移。
后处理
01
结果输出
将计算结果以图形、表格等形式输 出，便于观察和分析。
有限元分析广泛应用于工程领域，如结构力学、流体动力学、电磁场等领域，用于预测和优化结构的 性能。
有限元分析的基本原理
离散化
将连续的求解域离散化为有限 个小的单元，每个单元具有特
定的形状和属性。
数学建模
根据物理问题的性质，建立每 个单元的数学模型，包括节点 力和位移的关系、能量平衡等。
求解方程
通过建立和求解线性或非线性 方程组，得到每个节点的位移 和应力分布。
PART 05
有限元分析的工程应用实 例
桥梁结构分析
总结词
桥梁结构分析是有限元分析的重要应用之一，通过模拟桥梁在不同载荷下的响应，评估 其安全性和稳定性。
详细描述
桥梁结构分析主要关注桥梁在不同载荷（如车辆、风、地震等）下的应力、应变和位移 分布。通过有限元模型，工程师可以预测桥梁在不同工况下的行为，从而优化设计或进
刚性问题
刚性问题是有限元分析中的一种 特殊问题，主要表现在模型中某 些部分刚度过大，导致分析结果 失真
刚性问题通常出现在大变形或冲 击等动态分析中，由于模型中某 些部分刚度过高，导致变形量被 忽略或被放大。这可能导致分析 结果与实际情况严重不符。
解决方案：为避免刚性问题，可 以采用多种方法进行优化，如采 用更合适的材料模型、调整模型 中的参数设置、采用更精细的网 格等。同时，可以采用多种方法 对分析结果进行验证和校核，以 确保其准确性。
有限元分析及工程应用
1.3 ANSYS软件操作简介
（2）ANSYS的操作界面 6）信息输出窗口
显示ANSYS软件对已输入命令或已使用功能的响应信 息，包括用户使用命令的出错信息、警告信息、执行命令 的响应、注意事项以及其它信息。
在GUI方式下，用户可随时访问该窗口。 若用户对该窗口使用了关闭操作，则整个ANSYS系统 将会退出。
打开接触对管理器。
1.3 ANSYS软件操作简介
（2）ANSYS的操作界面 3）命令输入窗口 可以输入ANSYS的各种命令，也可以利用剪切(cut)和粘 贴(paste)操作。输入命令后，按“Enter”或“Return”可执 行该命令，用户也可以在输入窗口的历史记录区中，对某一 行的命令双击鼠标左键，就可以执行该命令。
如选择结构分析，则只有与结构分析相关的菜单或命令出 现，其它分析菜单或命令将被屏蔽。
1.3 ANSYS软件操作简介
（2）ANSYS的操作界面 7）主菜单(Main menu) Preprocessor：前处理器。它包含着建 模、划分网格和施加载荷等功能，也可 以通过执行命令“/PREP7”进入。 Solutoin：求解器。它包含着指定分析类 型和选项、施加载荷、载荷步设置以及求 解执行等功能。可通过执行命令 “/SOLU”进入。 General Postproc：通用后处理器。它包 含着结果数据的显示和列表等功能，可 通过执行命令“/POST1”进入。 TimeHist Postpro：时间历程后处理器。显示时间历程变量 阅览器，包含着变量的定义、列表和显示等功能，可执行 命令“/POST26”进入。
1.3 ANSYS软件操作简介
（2）ANSYS的操作界面 4）图形输出窗口 显示几何模型、网格、计算结
果、云图、等值线等图形。 ANSYS允许同时打开 5个窗口，
有限元分析及工程应用
WorkPlane(工作平面)：允许用户激活工作平面的打开或关 闭，同时也可以对工作平面进行移动、旋转或其它操作方式。 在这个菜单里，用户也可以创建、删除或转换坐标系统。
Select(选择)：包含着允许用户选择实体(entities)的某部分 及生成一个组件(components)等功能。
List(列表)：允许用户将储存在ANSYS数据库中的任何数 值项用文本方式列出。同时也可以得到在软件不同阶段的状态 信息，列来自出储存在用户系统中的文件内容。
1.3 ANSYS软件操作简介
1.3 ANSYS软件操作简介
（2）ANSYS的操作界面
ANSYS的操作界面
1.3 ANSYS软件操作简介
（2）ANSYS的操作界面 1）实用命令菜单
File(文件)：包含着与文件和数据相关的功能。如清除数 据库、保存文件或从内存中恢复数据等。
但其中有些功能只有在软件开始阶段才能使用的，如果 用户在非开始阶段使用到了这些功能，软件将会出现一个对话 框，要求用户进行一个选择。
1.1 有限元法概况
（2）有限元的分类
从选择基本未知量出发： 1)位移法——选取节点的位移作为基本未知量，它的理
论基础是最小势能原理； 2)应力法——选取节点的应力作为基本未知量，它的理
论基础是最小余能原理； 3)混合法——一部分选取节点位移而另一部分则选取节
点的应力作为基本未知量，其理论基础为混合变分原理，如 Hellinger-Reissner变分原理的混合板单元。
1956年由Clough等人首次将有限元法用于飞机机翼的 结构分析，并于1960由Clough发表了一篇“平面应力分析 中的有限单元”。
材料力学中的有限元方法分析
材料力学中的有限元方法分析材料力学是研究物质初始状态至最终破坏状态之间的力学行为及其规律的科学。
有限元分析是一种数值计算方法，可以求解各种工程问题的数学模型。
有限元方法在材料力学研究中有着重要的应用，本文将从有限元方法的基本原理、材料力学中的有限元分析、有限元模拟在材料力学中的应用等方面进行分析。
一、有限元方法的基本原理有限元方法是一种通过建立复杂结构的有限元模型，将一个复杂的连续问题转化为离散问题来求解的方法。
其基本思想是将一个连续物体分割成很多小的单元，使用一些简单的解析方法求解每个小单元内的力学问题，然后将所有小单元的解组合在一起来求解整体力学问题。
有限元方法求解的过程分为以下基本步骤：1.建立有限元模型2.离散化3.施加约束4.建立刚度矩阵和荷载向量5.求解未知量二、材料力学中的有限元分析材料力学中的有限元分析是指通过有限元方法对材料力学问题进行分析、计算和评估的方法。
材料力学问题中的目标是通过施加荷载或外界力，来得到物体内部的应力和应变状态，以及其随时间和载荷变化的规律。
在建立材料力学有限元模型时，需要考虑以下因素：1.应力集中和应变集中的位置和程度2.物理边界和几何结构3.材料的力学性质和力学参数材料力学中的有限元分析包含以下几个方面：1.静态分析：研究物体在静态等效荷载下的应力状态，计算物体的静态变形。
2.动态分析：研究物体在动态载荷下的应力和应变状态，计算物体的动力响应。
3.疲劳分析：研究物体在周期性载荷下的损伤状态、损伤机理和寿命预估。
4.热力耦合分析：研究物体在温度场和应力场的共同作用下的应力和应变状态。
5.多物理场分析：研究物体在电、磁、声、液、气、红外、光、辐射等多个物理场的共同作用下的应力和应变状态。
三、有限元模拟在材料力学中的应用有限元模拟在材料力学中的应用范围非常广泛，包括了以下几个方面：1.材料的结构设计和分析2.材料的性质和参数的测试和评估3.材料的制造和加工工艺的模拟4.材料的破坏和损伤机理的研究5.材料的寿命评估和振动疲劳分析最终，有限元分析的结果可以在材料设计、材料优化和制造流程等方面提供准确的数据支持，帮助人们更好地理解材料的力学行为和性质，促进材料科学的发展。
有限元分析及应用
有限元分析及应用介绍有限元分析，简称FEA（Finite Element Analysis），是一种数值计算方法，用于预测结构的力学行为。
它可以将结构离散为有限个小单元，在每个小单元内进行力学计算，并通过求解得到整个结构的应力和位移分布。
有限元分析常用于工程领域中，如结构分析、热传导分析、流体流动分析等。
原理有限元分析的基本原理可以概括为以下几个步骤：1.离散化：将结构或物体离散为有限个小单元。
常见的小单元形状有三角形、四边形等，在三维问题中可以使用四面体、六面体等。
2.建立数学模型：在每个小单元内，根据结构的物理特性和力学行为建立数学模型。
模型中包括了材料的弹性模量、泊松比等参数，以及加载条件、约束条件等。
3.组装和求解：将所有小单元的数学模型组装成一个整体的数学模型，然后利用求解算法进行求解。
常见的求解算法有直接法、迭代法等。
4.后处理：得到结构的应力和位移分布后，可以进行各种后处理操作，如绘制位移云图、应力云图等，以帮助工程师分析结构的强度和刚度性能。
应用有限元分析在工程领域有着广泛的应用。
下面介绍几个常见的应用案例：结构分析有限元分析可以用于结构分析，以评估结构的刚度和强度。
在设计建筑、桥梁、航空器等工程项目时，工程师可以使用有限元分析来模拟结构的力学行为，预测结构在不同加载条件下的变形和应力分布，以优化结构设计。
热传导分析有限元分析也可以用于热传导分析，在工程项目中评估热传导或热辐射过程。
例如，在电子设备的散热设计中，可以使用有限元分析来预测电子元件的温度分布，优化散热设计，确保电子元件的正常工作。
流体流动分析在流体力学研究中，有限元分析可以用于模拟流体的运动和流动行为。
例如，在船舶设计中，可以使用有限元分析来模拟船体受到波浪作用时的变形和应力分布，验证船体的可靠性和安全性。
优缺点有限元分析具有以下优点：•可以模拟复杂结构和物理现象，提供准确的结果。
•可以优化结构设计，减少设计成本和时间。
有限元分析方法范文
有限元分析方法范文有限元分析（finite element analysis，FEA）是一种广泛应用于工程领域中的数值分析方法。
它可用于模拟和预测物理系统中的结构和行为，并在设计和优化过程中提供指导。
在本文中，我们将详细介绍有限元分析的基本原理、步骤和应用。
有限元分析的基本原理是将真实的结构或物理系统离散为有限数量的较小单元，称为有限元。
这些有限元由一组连续性方程和材料属性定义。
然后，通过求解这些有限元之间的相互作用，可以得出整体系统的行为。
这种离散成小单元的方法允许对大型和复杂系统进行数值模拟，并提供对系统行为的准确预测。
1.建立几何模型：根据实际结构或物理系统的特征，使用计算机辅助设计软件（CAD）绘制几何模型。
这个模型可以是二维平面模型或三维立体模型。
2.网格划分：将几何模型离散成许多小单元，形成网格。
这些小单元通常是三角形或四边形，对应于二维平面模型；或者是四面体或六面体，对应于三维立体模型。
网格的密度和形状对分析结果的准确性和计算效率有重要影响。
3.定义边界条件：在模型上定义边界条件，包括约束边界和加载边界。
约束边界指定了结构的固定点或固定方向，而加载边界指定了模型上施加的外部力或重力。
4.定义材料属性：为每个有限元指定材料的性质，如弹性模量、密度、屈服强度等。
这些材料属性对于模拟系统的行为和响应至关重要。
5.建立有限元模型：根据几何模型、网格和边界条件，建立有限元模型。
这包括定义有限元的类型、节点位置和连接关系。
6.设置求解器：选择适当的求解器以求解有限元模型。
求解器根据有限元模型的离散特性和边界条件计算出系统的响应和行为。
7.求解和分析：通过求解器计算出系统的响应、位移、应力、应变等。
根据这些结果，可以进行进一步的分析和优化，如强度校核、结构优化等。
有限元分析方法广泛应用于工程领域，包括机械工程、土木工程、航空航天工程、电气工程等。
它可以用于分析结构的强度、刚度、稳定性，预测系统的振动、疲劳和破坏行为，优化设计和减少成本。
CAE课有限元分析理论基础
类型。
精度要求
03
根据问题对精度的要求，选择足够高阶的有限元以保证求解精
度。
常用有限元的介绍
四面体有限元
适用于解决三维问题，具有较高的计算效率 和适应性。
壳体有限元
适用于解决薄壁结构问题，能够模拟结构的 弯曲和变形。
六面体有限元
适用于解决二维和三维问题，精度较高但计 算效率较低。
梁有限元
适用于解决细长结构问题，能够模拟结构的 轴向拉伸和弯曲。
CAE课有限元分析理论基础
目 录
• 引言 • 有限元分析的基本原理 • 有限元的分类和选择 • 有限元分析的实现过程 • 有限元分析的应用实例 • 结论与展望
01 引言
目的和背景
目的
有限元分析（FEA）是一种数值分析方法，用于解决复杂的工程问题，如结构 分析、热传导、流体动力学等。本课程旨在使学生掌握有限元分析的基本原理 和应用。
弯曲有限元
适用于解决大变形问题，如结 构动力学、流体动力学等。
非线性有限元
适用于解决非线性问题，如塑 性力学、断裂力学等。
耦合有限元
适用于解决多物理场耦合问题 ，如流体-结构耦合、电磁-热
耦合等。
有限元的选择
问题特性
01
根据问题的物理特性、边界条件和求解精度要求选择合适的有
限元类型。
计算资源
02
考虑计算资源的限制，选择计算效率高、内存占用小的有限元
04 有限元分析的实现过程
建立模型
确定分析对象和边界条件
首先需要明确分析的对象和所受的边界条件， 这是建立有限元模型的基础。
几何建模
根据分析对象的特点，利用CAD软件建立几何 模型。
模型简化
有限元分析的原理及应用
有限元分析的原理及应用1. 引言有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种工程数值模拟方法，通过将大型、复杂的物理问题离散成多个小的有限元单元，并对每个单元进行数值计算，最终得到整体系统的解。
本文将介绍有限元分析的原理及其在工程领域的应用。
2. 有限元分析的原理有限元分析的原理可以概括为以下几个步骤：2.1. 建立几何模型首先，根据实际问题的几何形状，以及需要分析的部分，建立一个几何模型。
这个模型可以是二维的或三维的，可以通过计算机辅助设计（CAD）软件绘制，也可以通过测量现场物体的尺寸来获得。
2.2. 网格划分在建立好几何模型后，需要将其离散化为有限多个小的有限元单元。
常见的有限元单元有三角形、四边形和六面体等。
划分过程决定了数值计算的精度，越精细的划分可以得到更精确的结果，但同时也会增加计算量。
2.3. 建立数学模型和边界条件有限元分析需要建立一个数学模型来描述物理问题。
这个数学模型可以是线性的，也可以是非线性的，取决于具体的问题。
在建立数学模型时，还需要考虑边界条件，即模型的边界上可能存在的约束或加载。
2.4. 求解数学模型有了数学模型和边界条件后，需要对其进行求解。
求解过程可以采用迭代方法或直接求解方法，具体取决于问题的复杂程度和计算要求。
在这一步中，需要进行数值计算，得到对应的物理量，例如应力、位移、温度等。
2.5. 后处理在得到数学模型的解后，需要进行后处理，将数值结果转化为可视化或可以使用的形式。
后处理可以包括绘制位移云图、应力云图等，以及针对特定问题进行统计分析。
3. 有限元分析的应用有限元分析在工程领域有广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域：3.1. 结构力学有限元分析在结构力学中的应用非常广泛。
通过有限元分析，可以对结构的强度、刚度、变形等进行分析和优化。
常见的应用包括建筑结构、桥梁、飞机、汽车、船舶等领域。
3.2. 热传导有限元分析可以用于模拟物体内部的温度分布和热传导过程。
第二章有限元分析基本理论
第二章有限元分析基本理论有限元分析是一种数值计算方法，广泛应用于结构分析、流体力学、热传导等工程领域。
它通过将连续的物理问题离散化为有限个简单的子问题，再通过数值方法求解这些子问题，最终得到原始问题的近似解。
有限元分析的基本理论包括三个方面：离散化、加权残差和求解方法。
首先是离散化。
离散化是指将原始的连续问题转化为离散的子问题。
有限元分析中常用的离散化方法是将求解区域分割成有限的子域，称为单元。
每个单元内部的场量（如位移、温度等）可以用其中一种函数近似表示。
离散化的关键是选择适当的单元形状和适量的节点，使得子问题的离散解能够较好地近似原问题的解。
接下来是加权残差方法。
加权残差方法是有限元分析的核心思想，用于构造子问题的弱型方程。
弱型方程是原始问题的一种积分形式，由应力平衡和边界条件推导而来。
在加权残差方法中，我们引入加权函数，将弱型方程乘以权函数，再对整个求解区域进行积分，从而将连续问题转化为离散问题。
通过选择合适的权函数，可以使得该离散问题具有良好的数学特性，比如对称、正定等。
最后是求解方法。
有限元分析的求解方法主要包括直接法和迭代法。
直接法适用于小型问题，通过对离散问题的系数矩阵进行直接求解，得到场量的离散解。
而迭代法适用于大型问题，通过迭代求解线性代数方程组，得到场量的近似解。
迭代法的常用算法有雅可比法、高斯-赛德尔法、共轭梯度法等。
在求解中还需要注意计算误差的控制和收敛性的判定。
除了这三个基本理论，有限元分析还有一些相关的概念和技术。
例如，网格生成用于生成离散化的单元网格；后处理用于对离散解进行可视化和数据分析；材料模型用于描述材料的本构关系。
这些概念和技术在具体的有限元分析应用中，有着重要的作用。
综上所述，有限元分析的基本理论包括离散化、加权残差和求解方法。
离散化将连续问题转化为离散子问题，加权残差方法用于构造子问题的弱型方程，求解方法用于求解离散问题。
掌握这些基本理论，对于理解和应用有限元分析方法具有重要意义。
有限元分析及应用
有限元分析及应用有限元分析是一种数值计算方法，用于解决各种工程和科学领域中的复杂问题。
该方法基于物体或结构的离散性近似模型，将其分割成许多小的子领域，进而进行数学求解。
有限元分析广泛应用于结构力学、流体力学、电磁学、热传导等领域，在工程设计、产品开发和科学研究中发挥着重要作用。
一、有限元分析的原理有限元分析的核心原理是将一个复杂的物体或结构离散为许多互相连接的小尺寸单元，如三角形或四边形。
每个单元被视为一个小的、局部的子问题，并假设在每个单元内部的场变量（如位移、温度、电势等）为局部常数。
根据这一假设，可以建立一个局部方程来描述每个单元内部的行为。
为了求解整个系统的行为，将这些局部方程组合为一个整体方程组，并且采用边界条件来限制解的自由度。
然后，通过求解整体方程组，就可以得到整个系统在给定加载条件下的响应。
二、有限元分析的步骤有限元分析通常需要经过以下几个步骤：1. 几何建模：将待分析的物体或结构建立几何模型，包括定义节点、边界和连接关系等。
2. 单元划分：将几何模型划分为许多小的单元，选择合适的单元类型和尺寸。
3. 材料属性和加载条件：分配材料属性和加载条件给每个单元，如材料的弹性模量、材料的线性或非线性特性以及加载的力、温度等。
4. 单元方程建立：根据每个单元的几何形状和材料特性，建立每个单元内部的方程。
5. 整体方程建立：将所有单元的方程组合成一个整体方程，引入边界条件和约束条件。
6. 方程求解：通过数值方法（如矩阵解法）求解整体方程组。
7. 结果后处理：根据求解得到的结果，进行分析和后处理，如位移、应力和应变的计算、轴力图、位移云图等的绘制。
三、有限元分析的应用有限元分析已经应用于各种领域，主要包括以下几个方面：1. 结构力学：有限元分析可以用于评估结构的强度和刚度，预测结构的变形和破坏情况。
它广泛应用于建筑、桥梁、汽车、飞机等结构的设计和优化。
2. 流体力学：有限元分析可以用于模拟流体力学问题，如流体流动、传热和传质等。
有限元的原理
有限元的原理有限元分析是一种工程数值分析方法，它利用数学原理和计算机技术，对工程结构的力学行为进行模拟和分析。
有限元分析的原理是将复杂的结构分割成许多小的单元，通过对每个单元的力学行为进行精确描述，最终得到整个结构的力学响应。
本文将从有限元分析的基本原理、步骤和应用进行介绍。
有限元分析的基本原理是离散化方法，它将一个连续的结构分解成有限个单元，每个单元都是一个简单的几何形状，如三角形、四边形等。
然后对每个单元进行力学建模，建立单元的位移场和应力场的数学模型。
通过组合所有单元的数学模型，得到整个结构的位移场和应力场的近似解。
有限元分析的基本原理是基于弹性力学理论，它假设结构在受力作用下是弹性变形，即满足胡克定律。
有限元分析的数学模型通常是一个大型的代数方程组，通过求解这个方程组，得到结构的位移场和应力场。
有限元分析的步骤包括建立有限元模型、施加边界条件、求解代数方程组和后处理结果。
首先，需要对结构进行几何建模，将结构分解成有限个单元，并确定每个单元的材料性质和几何尺寸。
然后，需要施加边界条件，即给定结构的约束条件和外载荷。
接下来，需要将结构的力学行为建立成代数方程组，通常采用有限元法中的单元法则和变分原理。
最后，通过求解代数方程组，得到结构的位移场和应力场，并进行后处理，如应力分布、位移云图等。
有限元分析在工程领域有着广泛的应用，如结构分析、热传导分析、流体力学分析等。
在结构分析中，有限元分析可以用于预测结构的强度、刚度和稳定性，为结构设计提供理论依据。
在热传导分析中，有限元分析可以用于预测结构的温度分布和热传导性能，为热工设计提供支持。
在流体力学分析中，有限元分析可以用于模拟流体在结构内部的流动行为，为流体工程设计提供参考。
总之，有限元分析是一种强大的工程数值分析方法，它通过离散化方法和数学建模，对工程结构的力学行为进行模拟和分析。
有限元分析的原理是基于弹性力学理论，通过求解代数方程组，得到结构的位移场和应力场。
有限元分析及应用
有限元分析及应用有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种工程数值分析方法，用于解决连续介质的力学、热力学、电磁学等问题。
它通过将一个复杂的物理系统或结构划分为许多小的有限元单元，利用数值计算方法对每个单元进行分析，最终得到整个系统的行为和性能。
有限元分析的基本思想是将连续介质划分为许多离散的有限元，每个有限元内的物理量可以通过有限元模型进行近似表示。
在分析过程中，有限元法将一个复杂的整体问题转化为一组简单的局部问题，通过对局部问题进行求解，再将结果组合起来得到整体的解。
有限元方法的优点是：能够分析复杂的几何形状和材料特性、能够进行高精度的应力和应变分析、能够考虑非线性、瞬态和多物理场等问题。
有限元分析在许多工程领域中得到了广泛的应用。
在结构力学中，有限元分析可以用于求解结构的强度、刚度、振动等问题，用于优化结构设计，提高结构的性能；在热力学中，有限元分析可以用于求解传热问题，包括热传导、对流、辐射等问题，用于优化热交换器、热管、散热器等热管理设备的设计；在流体力学中，有限元分析可以用于求解流体的流动、湍流、热对流等问题，用于优化流体管道、泵、阀门等设备的设计；在电磁学中，有限元分析可以用于求解电磁场、电场、磁场等问题，用于优化电机、电磁传感器等电磁设备的设计。
有限元分析的应用具有以下优点：能够提供合理的工程模型，能够准确预测系统的行为和性能；能够对系统进行优化设计，提高系统的效率和可靠性；能够节约时间和成本，通过计算机程序可以高效地进行分析，避免了昂贵的试验和实践；能够提高工程师的分析能力和创新能力，通过分析和模拟，能够深入理解系统的本质和行为规律。
总之，有限元分析是一种有效的工程数值分析方法，可以应用于各个领域的工程问题。
通过有限元分析，可以准确地评估系统的性能，并对系统进行优化设计。
随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，有限元分析在工程领域的应用前景将越来越广阔。
有限元分析及应用的内容
有限元分析及应用的内容有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种工程分析方法，通过将实际工程问题建模成有限元模型，采用数值计算方法对其进行求解，从而得到结构的应力、变形、热传导等结果。
其广泛应用于机械、航空航天、土木工程、电子等多个领域。
有限元分析的基本思想是将连续问题离散化成有限个简单的单元，再通过有限元法求得每个单元的解，最终拼接求出整个问题的解。
其核心步骤包括几何建模、单元划分、边界条件设置和求解等。
有限元分析的内容主要涉及以下几个方面：1. 结构力学分析：有限元分析广泛应用于结构力学分析中，可以进行静力、动力、热力、疲劳等各种类型的分析。
通过有限元法可以获得结构的应力、变形、位移、刚度和模态等信息，从而评估结构的安全性和性能。
2. 流体力学分析：有限元分析也可以用于流体力学分析中，如流体的流动、热传导等问题。
通过建立数值模型和使用适当的流体力学方程，结合有限元法可求解复杂的流体流动问题，如气体流动、液体冲击等。
3. 热传导分析：有限元分析可用于热传导问题的求解，如热传导、热辐射、热对流等。
通过建立热传导的数值模型、设置热边界条件和内部热源等，结合有限元法求解热传导问题，获得温度场和热通量等信息。
4. 模态分析：有限元分析可以进行模态分析，得到结构的固有频率、振型和振幅等信息。
模态分析在结构设计中起到重要的作用，可用于评估结构的稳定性、避免共振等问题。
5. 优化设计：有限元分析可结合优化算法进行结构的优化设计。
通过对结构的形状、材料、尺寸等参数进行改变，并以某种性能指标（如结构的最小重量、最大刚度等）作为目标函数，运用有限元分析求解器进行求解，最终得到最优的设计方案。
6. 疲劳分析：有限元分析可用于疲劳分析，通过数值模拟和加载历史条件等，得到结构在循环或随机载荷下的寿命预测。
疲劳分析对于评估结构在实际工况下的安全性和可靠性具有重要意义。
7. 耦合分析：有限元分析还可以进行结构与流体、热传导、电磁场等耦合分析。
有限元法的基本原理和应用
有限元法的基本原理和应用前言有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是一种常用的数值分析方法，用于求解工程和物理问题。
它能够将一个复杂的问题分解为许多小的、简单的部分，通过数学方法将这些部分逼近为连续函数，并进行求解。
本文将介绍有限元法的基本原理和应用。
基本原理1.离散化：有限元法将连续域分解为多个离散的小单元，这些小单元称为有限元。
离散化可以将复杂问题简化为易于处理的小部分。
每个有限元由节点和单元组成，节点是问题解的近似点，单元是在节点周围定义的几何形状。
2.变量表示：在有限元法中，通过数学函数对变量进行近似表示。
常用的近似函数有线性、二次、三次等。
通过选择合适的形状函数，可以有效地近似解决问题。
3.形成方程：根据物理方程，将离散域中每个有限元的贡献进行求和，形成一个整体方程。
这个整体方程可以是线性方程、非线性方程、常微分方程等。
通过求解这个整体方程，可以得到问题的解。
应用领域有限元法广泛应用于各个领域，包括但不限于： - 结构分析：有限元法可以用来模拟和分析工程结构的强度、刚度和振动等特性。
通过对结构进行有限元分析，可以预测和优化结构的性能。
- 热传导：有限元法可以用来模拟物体内部的温度分布和热传导过程。
通过对热传导问题进行有限元分析，可以优化物体的热设计和散热能力。
- 流体力学：有限元法可以用来模拟和分析流体的流动和压力分布。
通过对流体力学问题进行有限元分析，可以优化管道、风扇等设备的设计。
- 电磁场：有限元法可以用来模拟和分析电磁场的分布和电磁设备的性能。
通过对电磁场问题进行有限元分析，可以优化电磁设备的设计和电磁干扰问题。
有限元法的优点和局限性•优点：有限元法适用于复杂的几何形状和边界条件，并可以考虑多物理场耦合。
它具有较高的灵活性，可以适应各种问题的求解。
•局限性：有限元法的计算精度和效率受到离散化精度和网格剖分的影响。
对于高度非线性和大变形问题，有限元法可能需要更多的时间和计算资源。
有限元分析、特点和应用
采用微小体积元dxdydz的分析方法（针对任意变 形体）
40
2.2 弹性体的基本假设
为突出所处理的问题的实质，并使问题简单化和抽 象化，在弹性力学中，特提出以下几个基本假定。
(1) 物质连续性假定：物质无空隙，可用连续函数来描述； (2) 物质均匀性假定：物体内各个位置的物质具有相同特性； (3) 物质(力学)特性各向同性假定：物体内同一位置的物质在
. .
...
线性
二次
. . 线(弹簧，梁，杆，间隙)
.. .体..(三..维实.体..).............
线性
二次
23
一维波传导问题 点 单元
线 单元
24
线 单元
点 单元
25
面 单元
Y Y
0 -0 .0 2 -0 .0 4 -0 .0 6 -0 .0 8
0
-0 .0 0 1
-0 .0 0 2
-0 .0 0 3 0 .0 5 4
-0 .1 0
0 .0 2
0 .0 4
0 .0 6
0 .0 8
0 .1
0 .1 2
X
0 .0 5 6
0 .0 5 8
X
0 .0 6
28
Y Y
0
0
-0 .0 2
-0 .0 0 1
-0 .0 4
-0 .0 0 2
-0 .0 6
-0 .0 0 3
0 .0 5 4
0 .0 5 6
各个方向上具有相同特性；
(4) 线性弹性假定：物体的变形与外来作用的关系是线性的， 外力去除后，物体可恢复原状；
(5) 小变形假定：物体变形远小于物体的几何尺寸，在建立方 程时，可以高阶小量（二阶以上）。
使用有限元方法进行工程力学分析
使用有限元方法进行工程力学分析引言：工程力学是研究物体在受力作用下的运动和变形规律的学科。
在实际工程中，为了更好地理解和分析结构的力学行为，有限元方法被广泛应用于工程力学分析。
本文将介绍有限元方法的基本原理和应用，以及其在工程力学分析中的重要性。
一、有限元方法的基本原理有限元方法是一种数值计算方法，它将连续的物体离散为有限数量的小元素，通过求解每个小元素的力学行为，来近似描述整个物体的力学行为。
有限元方法的基本原理可以概括为以下几个步骤：1. 离散化：将连续的物体划分为有限数量的小元素，通常为三角形或四边形。
2. 建立节点：在每个小元素的顶点上建立节点，用于计算和描述力学行为。
3. 建立单元：将相邻节点连接起来，形成小元素，用于计算力学行为。
4. 建立方程：根据物体的力学特性和边界条件，建立相应的方程组。
5. 求解方程：通过求解方程组，得到每个节点的位移和应力等力学参数。
二、有限元方法的应用有限元方法在工程力学分析中具有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 结构分析：有限元方法可以用于分析各种结构的力学行为，如桥梁、建筑物、机械设备等。
通过对结构进行离散化和建模，可以预测结构在受力作用下的变形和应力分布，为结构设计和优化提供依据。
2. 材料分析：有限元方法可以用于分析材料的力学性能，如弹性模量、屈服强度等。
通过对材料进行离散化和建模，可以模拟材料在受力作用下的变形和应力分布，为材料选择和设计提供参考。
3. 流体力学分析：有限元方法可以用于分析流体的力学行为，如液体和气体的流动、传热等。
通过对流体进行离散化和建模，可以模拟流体在受力作用下的速度场、压力场等，为流体系统的设计和优化提供指导。
4. 热力学分析：有限元方法可以用于分析热力学系统的力学行为，如温度场、热传导等。
通过对系统进行离散化和建模，可以模拟系统在受热和受力作用下的温度分布和热传导情况，为热力学系统的设计和优化提供支持。
三、有限元方法在工程力学分析中的重要性有限元方法在工程力学分析中的重要性不言而喻。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
14
有限元分析的基本理论与方法 有限元方法概述 ★ 科学问题
观察猜测 归纳分析 论证总结
★ 工程问题
理论分析 数值模拟 科学实验
2020/5/12
15
有限元分析的基本理论与方法 有限元方法概述 ★ 研究与解决问题的思路
实际问题 抽象与简化(建模) 数值分析 验证结论(实验)
2020/5/12
16
有限元分析的基本理论与方法 有限元方法概述 ★有限元方法的两大应用
◆ 科学计算或数值模拟 ◆ 数字设计或虚拟仿真
(新产品设计错误60%可消除) (90%新产品应用有限元分析)
2020/5/12
17
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述
❖20世纪60年代开始，研究人员开发 了大量小规模、使用灵活、价格较 低的专用或通用有限元软件
气流——“流固耦合”
2020/5/12
22
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述 ★ 有限元的发展现状
线性问题 非线性问题
排气管的热变形、热应力 复合材料分析
2020/5/12
发动机排气管的温度场
23
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述 ★ 有限元的发展现状
可视化前置建模、后置数据处理
工作站运算速度越来越快 求解运算时间越来越少——20% 数据准备和运算结果处理日益完善
ABQUS——非线性分析
ADINA——非线性分析
MARC ——非线性分析
2020/5/12
20
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述
★ 有限元的发展现状
从结构力学
多物理场问题
有限元方法已发展到温度场、电磁场 声场、多相流场和耦合场问题的求解
2020/5/12
21
有限元分析的基本理论与方法 有限元方法概述 ★有限元的发展现状
汽车碰撞分析有限元模型
2020/5/12
有限元分析的基本理论与方法
大小链轮的应力变形分析
2020/5/12
有限元分析的基本理论与方法
有限元分析的基本理论与方法
❖齿轮接触应力有限元分析
2020/5/12
32
有限元分析的基本理论与方法
❖装载机后桥位移云图
2020/5/12
33
有限元分析的基本理论与方法
❖PBX材料损伤蠕变特性研究
2020/5/12
34
有限元分析的基本理论与方法
❖整机静强度分析
2020/5/12
35
有限元分析的基本理论与方法
有限元分析基本理论、方法 和应用
2020/5/12
1
有限元分析及应用
★ 课程设置的相关背景
工程问题的现代设计，科学研究 虚拟现实与遥操作 近似计算的“精确逼近”
2020/5/12
2
有限元分析及应用
★ 课程设置的相关背景
工程问题的研究对象：
连续体 离散体 混合系统
2020/5/12
3
有限元分析及应用
2020/5/12
24
有限元分析的基本理论与方法 有限元方法概述
★ 有限元的发展现状
前置建模和后置数据处理模块 ——图形方式建模 ——图形方式网格划分 ——图形方式加载 ——结果云图、所需数据列表
2020/5/12
25
有限元分析的基本理论与方法 有限元方法概述 ★ 有限元的发展现状
与CAD软件的无缝集成
CAD软件完成零部件造型 模型置入有限元软件完成分析
2020/5/12
26
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述 ★ 有限元的发展现状
有限元软件与CAD软件具有接口 AutoCAD、Pro/ENGINEER Unigraphics、SolidWorks等
2020/5/12
27
有限元分析的基本理论与方法 有限元分析实例
2020/5/12
9
有限元分析的基本理论与方法 有限元方法概述 ★有限元方法的发展历程
起源与问题的提出: 处理对象:结构复杂 处理要求:精度逼近、材料性能已知
2020/5/12
10
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述 有限单元法是在20世纪50年代
为处理固体力学问题而提出的，是 随计算机发展而发展起来的一种数 值计算方法
2020/主要内容
★ 有限元分析的基本理论与方法 ★ 有限元方法与ANSYS简介 ★ 案例分析
相互交叉,相互结合
2020/5/12
7
有限元分析的基本理论与方法
Finite Elements Method
2020/5/12
8
有限元分析的基本理论与方法 ★ 有限元方法概述 ★ 有限元分析的哲学思想 ★ 有限元分析的力学基础 ★ 有限元分析的数学原理 ★ 有限元案例分析
2020/5/12
18
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述
❖德国的ASKA——航空 ❖英国的PAFEC——模具、化工 ❖法国的SYSTUS——电磁、热传导 ❖美国的ANSYS——通用
2020/5/12
19
有限元分析的基本理论与方法
有限元方法概述
❖美 国 的 NASTRAN—— 结 构 动 力 学
2020/5/12
11
有限元分析的基本理论与方法
“有限单元法”由Clough在1960年提 出，1945～1955年发展起来的结构分析 矩阵法—位移法是它的雏形
最先在固体力学领域(飞机结构分析等) 中得到应用，随后广泛应用于热力学、 电磁学、流体力学领域
2020/5/12
12
有限元分析的基本理论与方法
❖激光熔池有限元模拟
流体问题，包括融化和凝固两过程，伴 有能量对流、扩散
2020/5/12
28
有限元分析的基本理论与方法
半导体芯片温度场数值模拟
2020/5/12
29
有限元分析的基本理论与方法
水轮机叶轮的受力分析
2020/5/12
30
有限元分析的基本理论与方法
❖轴承强度分析
2020/5/12
31
★ 课程的预习和准备
国内外有限元课程学习网站 国内外ANSYS应用论坛、专题网站 各类有限元理论及ANSYS应用教程
2020/5/12
4
有限元分析及应用
★ 课程学习的条件准备
ANSYS软件自备 U盘自备一个
2020/5/12
5
有限元分析及应用
★ 课程学习特点 “实践出真知”
★ 课程学习要求 基础理论与“实战”结合
1967年《结构与连续力学的有限元 法》出版，由张佑启与辛克维奇教授合 作，该书后来更名为《有限元法》
辛克维奇——有限元之父 张佑启——有限条法之父
2020/5/12
13
有限元分析的基本理论与方法
辛克维奇 有限元 复杂结构的计算问题 简单单元的分析和集合问题 数学近似，是应用数学的一个新分支。
2020/5/12