平面三角形单元有限元程序设计
有限元分析法的流程
有限元分析法的流程一、问题的确定。
咱得先搞清楚要分析啥问题。
这就好比你要出门旅行，得先知道自己想去哪儿一样。
是要分析一个机械零件的受力情况呢，还是一个建筑结构的稳定性呀？这一步可重要啦，要是问题都没搞对，后面就全乱套了。
比如说你本来是要分析一个桥梁的承重，结果你以为是要分析它的抗风能力，那可就差了十万八千里了。
这时候我们得把实际的工程问题或者物理现象准确地描述出来，把那些关键的信息都找出来，像物体的形状呀，材料的特性之类的。
二、模型的建立。
有了问题，接下来就得建立模型啦。
这就像是搭积木一样。
我们要把实际的物体简化成可以用数学方法来描述的模型。
不过这个简化可不是乱简化的哦。
你得在保证能反映问题本质的前提下，让这个模型尽量简单。
比如说要分析一个汽车发动机的散热问题，发动机的形状那么复杂，要是完全按照真实的样子来建模，那可就麻烦死了。
我们可以把一些不重要的小零件先忽略掉，把发动机大致看成一个长方体加上几个圆柱体之类的简单形状。
然后呢，要确定模型的边界条件，就像是给这个搭好的积木模型规定一个活动范围一样。
是固定住某个面呢，还是在某个面上施加压力呀？这些都得确定好。
三、单元的划分。
模型建立好了，就要开始划分单元啦。
这一步就像是把一块大蛋糕切成小块一样。
我们把这个模型划分成很多小的单元，这些单元可以是三角形的、四边形的或者其他形状的。
为什么要划分单元呢？因为这样我们就可以对每个小单元进行单独的分析啦。
划分单元的时候也有讲究呢。
要是划分得太大了，可能就不能准确地反映模型的特性；要是划分得太小了，计算量就会变得超级大。
就像切蛋糕，切得太大块，每块的口味就不均匀了，切得太碎，吃起来又很麻烦。
我们要根据模型的形状、受力情况等因素来合理地划分单元。
四、单元的特性分析。
单元划分好之后，就要分析每个单元的特性啦。
每个单元都有自己的刚度呀、质量呀之类的特性。
这就像是了解每个小积木块的重量和硬度一样。
我们要根据单元的形状、材料等因素来确定这些特性。
Fortran语言编写弹性力学平面问题3节点三角形单元或4节点等参单元的有限元程序
Fortran语言编写弹性力学平面问题3节点三角形单元或4节点等参单元的有限元程序：c--------------------------------------------------------------------------c.....FEA2DP---A finite element analysis program for2D elastic problemscc Tangent matrix is stored with varioud band methodc This program is used to demonstrte the usage of vrious bandc Storage schem of symmetric and unsymmetric tangent matrixcc Wang shunjinc At chongqing vniversity(06/06/2013)c-------------------------------------------------------------------------program FEA2DPcc a(1)-a(n1-1):x(ndm,nummnp);a(n1)-a(n2-1):f(ndf,numnp)c a(n2)-a(n3-1):b(neq);a(n3)-a(n4-1):ad(neq)c a(n4)-a(n5-1):al(nad);a(n5)-a(n6-1):nu(nad)cc ia(1)-ia(n1-1):ix(nen1,numel);ia(n1)-ia(n2-1):id(ndf,numnp)c ia(n2)-ia(n3-1):jd((ndf*numnp);ia(n3)-ia(n4-1):idl(nen*numel*ndf)cimplicit real*8(a-h,o-z)dimension a(100000),ia(1000)character*80headcommon/cdata/numnp,numel,nummat,nen,neqcommon/sdata/ndf,ndm,nen1,nstcommon/iofile/ior,iowcnmaxm=100000imaxm=1000ior=1iow=2cc Open files for data input and outputcopen(ior,file='input.dat',form='formatted')open(iow,file='output.dat')cc.....Read titlecread(ior,'(a)')headwrite(iow,'(a)')headcc.....Read and print control informationcc numnp:number of nodesc numel:number of elementsc nummat:number of material typesc nload:number of loadsc ndm:number of coordinats of each nodec ndf:number of degrees of freedomc nen:number of nodes in each elementcread(ior,'(7i5)')numnp,numel,nummat,nload,ndm,ndf,nenwrite(iow,2000)numnp,numel,nummat,nload,ndm,ndf,nen cc.....Set poiters for allocation of data arrayscnen1=nen+4nst=nen*ndfnneq=ndf*numnpcn1=ndm*numnp+1n2=n1+ndf*numnp+1ci1=nen1*numel+1i2=i1+ndf*numnp+1i3=i2+ndf*numnp+1i4=i3+numel*nen*ndf+1cc.....Call mesh input subroutine to read all mesh dataccall pmesh(a(1),a(n1),ia(1),ia(i1),ndf,ndm,nen1,nload)cpute profileccall profil(ia(i2),ia(i3),ia(i1),ia(1),ndf,nen1,nad)cn3=n2+neq+1n4=n3+neq+1n5=n4+nad+1n6=n5+nad+1cc The lengthes of real and integer arrayscwrite(iow,2222)n6,i4cc The lengthes of array exceeds the limitationcif(n6>nmaxm.or.i4>imaxm)thenif(n6>nmaxm)write(iow,3333)n6,nmaxmif(i4>nmaxm)write(iow,4444)i4,imaxmstopend ifctute and aseemble element arraysccall assem(nad,ia(1),ia(i1),ia(i2),a(1),a(n2),a(n3),1a(n4),a(n5))cc Form load vectorccall pload(ia(i1),a(n1),a(n2),nneq,neq)cc.....Triangular decomposition of a matrix stored in profile formccall datri(ndf,numnp,ia(i2),neq,nad,.false.,a(n3),a(n5),a(n5))cc For unsymmtric tangent matirxc Call datri(ndf,numnp,ia(i2),neq,nad,.true.,a(n3),a(n4),a(n5))cc Solve equationsccall dasol(ndf,numnp,a(n2),ia(i2),neq,nad,aengy,a(n3),a(n5),a(n5)) cc For unsymmetric tangent matrixc Call dasol(ndf,numnp,a(n2),ia(i2),neq,nad,aengy,a(n3),a(n5),a(n5)) cc Output nodal displacementsccall prtdis(ia(i1),a(n2),ndf,numnp,neq)cc.....Close input and output files;destroy temporary disk filescclose(ior)close(iow)cc.....Input/output formatsc1000format(20a4)2000format(//x5x,'number of nodal points=',i6/15x,'number of elements=',i6/25x,'number of material sets=',i6/35x,'number of nodal loads=',i6/45x,'dimension of coordinate space=',i6/55x,'degree of freedoms/node=',i6/65x,'nodes per element(maximum)=',i6)2222format(//,10x,'the lengthe of real array is',i10,/,110x,'the lengthe of integer array is',i10)3333format(//,10x,'the lengthe of real array',i10,'exceed the',1'maximun value',i10)4444format(//,10x,'the lengthe of integer array',i10,'exceed the',1'maximun value',i10)cstopendccsubroutine pmesh(x,f,ix,id,ndf,ndm,nen1,nload)cc......Data input routine for mesh descriprioncimplicit real*8(a-h,o-z)dimension x(ndm,numnp),f(ndf,numnp),id(ndf,numnp),ix(nen1,numel)common/bdata/head(20)common/cdata/numnp,numel,nummat,nen,neqcommon/mater/ee,xnu,itypecommon/iofile/ior,iowcc.....Input constrain codes and nodal coordinate datacc id(k,j):constrain code of kth degree of freedom of node j,=0:free,=1:fixed c x(k,j):kth coordinate of node jcdo i=1,numnpread(ior,'(3i5,2f10.4)')j,(id(k,j),k=1,ndm),(x(k,j),k=1,ndm) end docwrite(iow,'(//17hnodal coordinates,/)')do i=1,numnpwrite(iow,'(3i5,2f10.4)')i,(id(k,i),k=1,ndm),(x(k,i),k=1,ndm) end docc.....element data inputcc ix(k,j):global node number of kth node in element jcdo i=1,numelread(ior,'(9i5)')j,(ix(k,j),k=1,nen)end docwrite(iow,'(//,18helement definition,/)')do i=1,numelwrite(iow,'(9i5)')j,(ix(k,j),k=1,nen)end docc.....Material data inputcc ee:young's modulus,xnu:poisson ratioc itype:type of problem,=1,:plane stress,=2:plane strain,=3:axi-symmetric cread(ior,'(2f10.4,i5)')ee,xnu,itypewrite(iow,'(//,19hmateial properties,/)')write(iow,'(2(e10.4,5x),i5)')ee,xnu,itypecc.....force/disp data inputcc f(k,j):concentrate load at node j in k directioncf=0.0d0do i=1,nloadread(ior,'(i5,2f10.4)')j,(f(k,j),k=1,ndf)end docwrite(iow,'(//,20happlied nodal forces,/)')do i=1,nloadwrite(iow,'(i5,2f10.4)')j,(f(k,j),k=1,ndf)end docreturncc format statementsc2000format('mesh1>',$)3000format(1x,'**warning**element connections necessary'1'to use block in macro program')4000format('**current problem valies**'/i6,'nodes,',1i5,'elmts,',i3,'matls,',i2,'dims,',i2,'dof/node,',2i3,'nodes/elmt')endccsubroutine assem(nad,ix,id,jd,x,b,ad,al,au)cc Call element subroutine and assemble global tangent matrixcimplicit real*8(a-h,o-z)dimension ilx(nen),xl(ndf,nen),ld(ndf,nen),s(nst,nst),p(nst)dimension ix(nen1,numel),id(ndf,numnp),jd(ndf*numnp)dimension x(ndm,numnp),b(neq),ad(neq),al(nad),au(nad)common/cdata/numnp,numel,nummat,nen,neqcommon/sdata/ndf,ndm,nen1,nstcnel=nencc elenment loopcdo320n=1,numels=0.0d0!element stiffness matrixp=0.0d0!nodal forcene=ndo310i=1,nenilx(i)=ix(i,ne)!current element definitiondo k=1,ndmxl(k,i)=x(k,ilx(i))!nodal coords in current elementend dokk=ilx(i)do k=1,ndfld(k,i)=id(k,kk)!equation numbersend do310continuecc Call element libccall elmt01(xl,ilx,s,p,ndf,ndm,nst)cc Asemmble tangent matrix and load vector if neededccall dasbly(ndf,nad,s,p,ld,jd,nst,b,ad,al,au)c320continue!end element loopcreturnendccsubroutine dasbly(ndf,nad,s,p,ld,jp,ns,b,ad,al,au)cc.....Assemble the symmetric or unsymmetric arrays for'dasol'cimplicit real*8(a-h,o-z)c logical alfl,aufl,bfldimension ad(neq),al(nad),au(nad)dimension ld(ns),jp(ndf*numnp),b(neq),s(ns,ns),p(ns)common/cdata/numnp,numel,nummat,nen,neqcommon/iofile/ior,iowcc alfl=true:for unsymmetric matirx assemblec alfl=false:for symmetric matirx assemblec s:element stiffness matrixc p:load or internal force vectorc ad:diagonal elementsc au:upper triangle elementsc al:lower triangle elementsc jp:pointer to last element in each row/column of al/au respectivec ld:equation numbers of each freedom degree in an element(get from id) cc.....Loop through the rows to perform the assemblycdo200i=1,nsii=ld(i)if(ii.gt.0)thenc if(aufl)then!assemble stiffness matrixcc.....Loop through the columns to perform the assemblycdo100j=1,nsif(ld(j).eq.ii)thenad(ii)=ad(ii)+s(i,j)elseif(ld(j).gt.ii)thenjc=ld(j)jj=ii+jp(jc)-jc+1au(jj)=au(jj)+s(i,j)c if(alfl)al(jj)=al(jj)+s(j,i)!unsymmetricendif100continueendifc if(bfl)b(ii)=b(ii)+p(i)!assemble nodal forcec endif200continuecreturnendccsubroutine dasol(ndf,numnp,b,jp,neq,nad,energy,ad,al,au)cc.....Solution of symmetric equations in profile formc.....Coeficient matrix must be decomposed into its triangularc.....Factor using datri beforce using dasol.cc jp:pointer to last element in each row/column of al/au respecive ccimplicit real*8(a-h,o-z)dimension ad(neq),al(nad),au(nad)dimension b(neq),jp(ndf*numnp)common/iofile/ior,iowdata zero/0.0d0/cc.....Find the first nonzero entry in the ring hand sidecdo is=1,neqif(b(is).ne.zero)go to200end dowrite(iow,2000)returnc200if(is.lt.neq)thencc.....Reduce the right hand sidecdo300j=is+1,neqjr=jp(j-1)jh=jp(j)-jrif(jh.gt.0)thenb(j)=b(j)-dot(al(jr+1),b(j-jh),jh)end if300continueend ifcc.....Multiply inverse of diagonal elementscenergy=zerodo400j=is,neqbd=b(j)b(j)=b(j)*ad(j)energy=energy+bd*b(j)400continuecc.....backsubstitutioncif(neq.gt.1)thendo500j=neq,2,-1jr=jp(j-1)jh=jp(j)-jrif(jh.gt.0)thencall saxpb(au(jr+1),b(j-jh),-b(j),jh,b(j-jh))end if500continueend ifcreturnc2000format('**dasol warning1**zero right-hand-side vector') endccsubroutine datest(au,jh,daval)cc.....test for rankcimplicit real*8(a-h,o-z)dimension au(jh)cdaval=0.0d0cdo j=1,jhdaval=daval+abs(au(j))end docreturnendccsubroutine datri(ndf,numnp,jp,neq,nad,flg,ad,al,au)cc.....Triangular decomposiontion of a matrix stored in profile form cimplicit real*8(a-h,o-z)logical flgdimension jp(ndf*numnp),ad(neq),al(nad),au(nad)common/iofile/ior,iowcc.....n.b.tol should be set to approximate half-word precision.cdata zero,one/0.0d0,1.0d0/,tol/0.5d-07/cc.....Set initial values for contditioning checkcdimx=zerodimn=zerocdo j=1,neqdimn=max(dimn,abs(ad(j)))end dodfig=zerocc.....Loop through the columns to perform the triangular decomposition cjd=1do200j=1,neqjr=jd+1jd=jp(j)jh=jd-jrif(jh.gt.0)thenis=j-jhie=j-1cc.....If diagonal is zeor compute a norm for singularity testcif(ad(j).eq.zero)call datest(au(jr),jh,daval)do100i=is,iejr=jr+1id=jp(i)ih=min(id-jp(i-1),i-is+1)if(ih.gt.0)thenjrh=jr-ihidh=id-ih+1au(jr)=au(jr)-dot(au(jrh),al(idh),ih)if(flg)al(jr)=al(jr)-dot(al(jrh),au(idh),ih)end if100continueend ifcc.....Reduce the diagonalcif(jh.ge.0)thendd=ad(j)jr=jd-jhjrh=j-jh-1call dredu(al(jr),au(jr),ad(jrh),jh+1,flg,ad(j))cc.....Check for possible errors and print warningscif(abs(ad(j)).lt.tol*abs(dd))write(iow,2000)jif(dd.lt.zero.and.ad(j).gt.zero)write(iow,2001)jif(dd.gt.zero.and.ad(j).lt.zero)write(iow,2001)jif(ad(j).eq.zero)write(iow,2002)jif(dd.eq.zero.and.jh.gt.0)thenif(abs(ad(j)).lt.tol*daval)write(iow,2003)jendifendifcc.....Stroe reciprocal of diagonal,compute condition checkscif(ad(j).ne.zero)thendimx=max(dimx,abs(ad(j)))dimn=min(dimn,abs(ad(j)))dfig=max(dfig,abs(dd/ad(j)))ad(j)=one/ad(j)end if200continuecc.....Print conditioning informationcdd=zeroif(dimn.ne.zero)dd=dimx/dimnifig=dlog10(dfig)+0.6write(iow,2004)dimx,dimn,dd,ifigcreturncc.....formatsc2000format('**datri warning1**loss of at least7digits in', 1'reducing diagonal of equation',i5)2001format('**datri warning2**sign of changed when', 1'reducing equation',i5)2002format('**datri warning3**reduced diagonal is zero zeri for', 1'equation',i5)2003format('**datri warning4**rank failure ffo zero unreduced', 1'diagonal in equation',i5)2004format(//'conditon check:d-max',e11.4,';d-min',e11.4, 1';ratio',e11.4/'maximim no.diagonal digits lost:',i3) 2005format('cond ck:dmax',1p1e9.2,';dmin',1p1e9.2,1';ratio',1p1e9.2)endccsubroutine dredu(al,au,ad,jh,flg,dj)cc.....Reduce diagonal element in triangular decompositioncimplicit real*8(a-h,o-z)logical flgdimension al(jh),au(jh),ad(jh)cdo j=1,jhud=au(j)*ad(j)dj=dj-al(j)*udau(j)=udend docc.....Finish computation of column of al for unsymmetric matricescif(flg)thendo j=1,jhal(j)=al(j)*ad(j)end doend ifcreturnendccsubroutine profil(jd,idl,id,ix,ndf,nen1,nad)cpute profile of global arrayscimplicit real*8(a-h,o-z)dimension jd(ndf*numnp),idl(numel*nen*ndf),id(ndf,numnp),1ix(nen1,numel)common/cdata/numnp,numel,nummat,nen,neqcommon/frdata/maxfcommon/iofile/ior,iowcc jd:column hight(address of diagonal elements)c id:boudary condition codes before this bubroutine's runningc id:equation numbers in global array(excluded restrained nodes)after running c idl:element strech orderc nad:total number of non-zero elements except diagonal elementsc in global tangent matrixcc.....Set up the equation numberscneq=0cdo10k=1,numnpdo10n=1,ndfj=id(n,k)if(j.eq.0)thenneq=neq+1id(n,k)=neqelseid(n,k)=0endif10continuecpute column heightsccall pconsi(jd,neq,0)cdo50n=1,numelmm=0nad=0do30i=1,nenii=iabs(ix(i,n))if(ii.gt.0)thendo20j=1,ndfjj=id(j,ii)if(jj.gt.0)thenif(mm.eq.0)mm=jjmm=min(mm,jj)nad=nad+1idl(nad)=jjendif20continueend if30continueif(nad.gt.0)thendo40i=1,nadii=idl(i)jj=jd(ii)jd(ii)=max(jj,ii-mm)40continueendif50continuecpute diagongal pointers for profilecnad=0jd(1)=0if(neq.gt.1)thendo60n=2,neqjd(n)=jd(n)+jd(n-1)60continuenad=jd(neq)end ifcc.....Set element search order to sequentialcdo70n=1,numelidl(n)=n70continuecc.....equation summarycmaxf=0mm=0if(neq.gt.0)mm=(nad+neq)/neqwrite(iow,2001)neq,numnp,mm,numel,nad,nummatcreturnc2001format(5x,'neq=',i5,5x,'numnp=',i5,5x,'mm=',i5,/5x, 1'numel=',i5,5x,'nad=',i5,5x,'nummat=',i5/) endcsubroutine saxpb(a,b,x,n,c)cc.....Vector times scalar added to second vectorcimplicit real*8(a-h,o-z)dimension a(n),b(n),c(n)cdo k=1,nc(k)=a(k)*x+b(k)end docreturnendcsubroutine pconsi(iv,nn,ic)cc.....Zero integer arraycdimension iv(nn)cdo n=1,nniv(n)=icend docreturnendcsubroutine elmt01(xl,ilx,s,p,ndf,ndm,nst)cc.....plane linear elastic element routinec ityp=1:plane stressc=2:plane strainc=3:axisymmetriccimplicit real*8(a-h,o-z)dimension xl(ndm,nen),ilx(nen),sigr(6)dimension d(18),s(nst,nst),p(nst),shp(3,9),sg(16),tg(16),wg(16)character wd(3)*12common/cdata/numnp,numel,nummat,nen,neqcommon/mater/ee,xnu,itypecommon/iofile/ior,iowdata wd/'plane stress','plane strain','axisymmetric'/cc xl(ndm,nen):coords of each node in current elementc ilx(nen):element definition of current elementc d(18):materials propertiesc s(nst,nst):element stiffness matrixc p(ns):nodal force and internal forcec shp(3,9):shape function and its derivativesc sg(16),tg(16),wg(16):weight coefficients of guass intergtation c l,k:integration pointscl=2k=2e=eenel=nencc d(14):thickness;d(11),d(12):body forcesc.....Set material patameter type and flagscityp=max(1,min(ityp,3))j=min(ityp,2)cd(1)=e*(1.+(1-j)*xnu)/(1.+xnu)/(1.-j*xnu)d(2)=xnu*d(1)/(1.+(1-j)*xnu)d(3)=e/2./(1.+xnu)d(13)=d(2)*(j-1)if((d(14).le.0.0d0).or.ityp.ge.2)d(14)=1.0d(15)=itypd(16)=ed(17)=xnud(18)=-xnu/el=min(4,max(1,l))k=min(4,max(1,k))d(5)=ld(6)=kc d(9)=t0c d(10)=e*alp/(1.-j*xnu)lint=0cwrite(iow,2000)wd(ityp),d(16),d(17),d(4),l,k,d(14),1d(11),d(12)cc.....stiffness/residual computationcl=kcc Compute cordinates and weights of integtation pointc`sg,tg:cootds;wg=wp*wqcif(l*l.ne.lint)call pguass(l,lint,sg,tg,wg)cpute integrals of shape functionscdo340l=1,lintcc Compute shape function and their derivatives to local and global coordinate systemccall shape(sg(l),tg(l),xl,shp,xsj,ndm,nen,ilx,.false.)cc Compute global coordinates of integration pointscxx=0.0yy=0.0do j=1,nenxx=xx+shp(3,j)*xl(1,j)yy=yy+shp(3,j)*xl(2,j)end doxsj=xsj*wg(l)*d(14)!xsj+|j|(sp,tq)*wp*wq*tcpute jacobian correction for plane stress and strain problemscif(ityp.le.2)thendv=xsjxsj=0.0zz=0.0c sigr4=-d(11)*dv!d(11)body forceelsecc For anisymmetric problemcdv=xsj*xx*3.1415926*2.zz=1./xxc sigr4=sigr(4)*xsj-d(11)*dvendifj1=1cc.....Loop over rowscdo330j=1,nelw11=shp(1,j)*dvw12=shp(2,j)*dvw22=shp(3,j)*xsjw22=shp(3,j)*dv*zzccpute the internal forces out of balancecc p(j1)=p(j1)-(shp(1,j)*sigr(1)+shp(2,j)*sigr(2))*dvc1-shp(3,j)*sigr4c p(j1+1)=p(j1+1)-(shp(1,j)*sigr(2)+shp(2,j)*sigr(3))*dvc1+d(12)*shp(3,j)*dv!d(12)body force cc.....Loop over columns(symmetry noted)c Compute stiffness matrixck1=j1a11=d(1)*w11+d(2)*w22a21=d(2)*w11+d(1)*w22a31=d(2)*(w11+w22)a41=d(3)*w12a12=d(2)*w12a32=d(1)*w12a42=d(3)*w11do320k=j,nelw11=shp(1,k)w12=shp(2,k)w22=shp(3,k)*zzs(j1,k1)=s(j1,k1)+w11*a11+w22*a21+w12*a41s(j1+1,k1)=s(j1+1,k1)+(w11+w22)*a12+w12*a42s(j1,k1+1)=s(j1,k1+1)+w12*a31+w11*a41s(j1+1,k1+1)=s(j1+1,k1+1)+w12*a32+w11*a42k1=k1+ndf320continuej1=ndf+j1330continue340continuecc.....Make stiffness symmetriccdo360j=1,nstdo360k=j,nsts(k,j)=s(j,k)360continuecreturncc.....Formats for input-outputc1000format(3f10.0,3i10)1001format(8f10.0)2000format(/5x,a12,'linear elastic element'//110x,'modulus',e18.5/10x,'poission ratio',f8.5/10x,'density',e18.5/ 210x,'guass ptr/dir',i3/10x,'stress pts',i6/10x,'thickness',e16.5/310x,'1-gravity',e16.5/10x,'2-gtavity',e16.5/10x,'alpha',e20.5/410x,'base temp',e16.5/)2001format(5x,'element stresses'//'elmt1-coord',2x,'11-stress',2x, 1'12-stress',2x,'22-stress',2x,'33-stress',3x,'1-coord',2x,3x,2'2-stress'/'matl2-coord',2x,'11-strain',2x,'12-strain'2x,3'22-strain',2x,'33-strain',6x,'angle'/39('-'))2002format(i4,0p1f9.3,1p6e11.3/i4,0p1f9.3,1p4e11.3,0p1f11.2/) 5000format('input:e,nu,rho,pts/stiff,pts/stre',1',type(1=stress,2=strain,3=axism)',/3x,'>',$)5001format('input:thickness,1-body force,1-body force,alpha,' 1,'temp-base'/3x,'>',$)endcsubroutine shape(ss,tt,xl,shp,xsj,ndm,nel,ilx,flg)cc.....Shape function routine for two dimension elementscimplicit real*8(a-h,o-z)logical flgdimension xl(ndm,nel),s(4),t(4),x(nel)dimension shp(3,nel),xs(2,2),sx(2,2)data s/-0.5d0,0.5d0,0.5d0,-0.5d0/,1t/-0.5d0,-0.5d0,0.5d0,0.5d0/cc.....Form4-node quatrilateral shape functionscc nel:nuber of nodes per elementcdo100i=1,4shp(3,i)=(0.5+s(i)*ss)*(0.5+t(i)*tt)shp(1,i)=s(i)*(0.5+t(i)*tt)shp(2,i)=t(i)*(0.5+s(i)*ss)100continuecc.....Form triangge bu adding their and fourth together for triangle element cif(nel.eq.3)thendo i=1,3shp(i,3)=shp(i,3)+shp(i,4)enddoendifcc.....Add quatratic terms if necessary for element with more than4nodes cif(nel.gt.4)call shap2(ss,tt,shp,ilx,nel)cc.....Construct jacobian and its inversecdo125i=1,2do125j=1,2xs(i,j)=0.0do120k=1,nelxs(i,j)=xs(i,j)+xl(i,k)*shp(j,k)120continue125continuecc xsj:determinate of jacob matrixcxsj=xs(1,1)*xs(2,2)-xs(1,2)*xs(2,1)cif(flg)returnc flg=false:form global derivativescif(xsj.le.0.0d0)xsj=1.0sx(1,1)=xs(2,2)/xsjsx(2,2)=xs(1,1)/xsjsx(1,2)=-xs(1,2)/xsjsx(2,1)=-xs(2,1)/xsjcc....Form global derivativescdo130i=1,neltp=shp(1,i)*sx(1,1)+shp(2,i)*sx(2,1)shp(2,i)=shp(1,i)*sx(1,2)+shp(2,i)*sx(2,2)shp(1,i)=tp130continuecreturnendcsubroutine shap2(s,t,shp,ilx,nel)cc....Add quadtatic function as necessarycimplicit real*8(a-h,o-z)dimension shp(3,9),ilx(nel)cs2=(1.-s*s)/2.t2=(1.-t*t)/2.do100i=5,9do100j=1,3shp(j,i)=0.0100continuecc.....Midsize nodes(serenipity)cif(ilx(5).eq.0)go to101shp(1,5)=-s*(1.-t)shp(2,5)=-s2shp(3,5)=s2*(1.-t)101if(nel.lt.6)go to107if(ilx(6).eq.0)go to102shp(1,6)=t2shp(2,6)=-t*(1.+s)shp(3,6)=t2*(1.+s)102if(nel.lt.7)go to107if(ilx(7).eq.0)go to103shp(1,7)=-s*(1.+t)shp(2,7)=s2shp(3,7)=s2*(1.+t)103if(nel.lt.8)go to107if(ilx(8).eq.0)go to104shp(1,8)=-t2shp(2,8)=-t*(1.-s)shp(3,8)=t2*(1.-s)cc.....Interior node(lagragian)c104if(nel.lt.9)go to107if(ilx(9).eq.0)go to107shp(1,9)=-4.*s*t2shp(2,9)=-4.*t*s2shp(3,9)=4.*s2*t2cc.....Correct edge nodes for interior node(lagrangian) cdo106j=1,3do105i=1,4105shp(j,i)=shp(j,i)-0.25*shp(j,9)do106i=5,8106if(ilx(i).ne.0)shp(j,i)=shp(j,i)-.5*shp(j,9)cc.....Correct corner nodes for presense of midsize nodes c107do108i=1,4k=mod(i+2,4)+5l=i+4do108j=1,3108shp(j,i)=shp(j,i)-0.5*(shp(j,k)+shp(j,l))returnendcsubroutine pguass(l,lint,r,z,w)cc.....Guass points and weights for two dimensionscimplicit real*8(a-h,o-z)dimension lr(9),lz(9),lw(9),r(16),z(16),w(16)c common/eldtat/dm,n,ma,mct,iel,neldata lr/-1,1,1,-1,0,1,0,-1,0/,lz/-1,-1,1,1,-1,0,1,0,0/data lw/4*25,4*40,64/cc lint:number of integration pointsc r,z:coordinates of integration pointsc w:wp*wq,product of the two weightsclint=l*lcc.....1x1integerationc1r(1)=0.z(1)=0.w(1)=4.creturncc.....2x2integerationc2g=1.0/sqrt(3.d0)do i=1,4r(i)=g*lr(i)z(i)=g*lz(i)w(i)=1.end docreturncc.....3x3integerationc3g=sqrt(0.60d0)h=1.0/81.0d0cdo i=1,9r(i)=g*lr(i)z(i)=g*lz(i)w(i)=h*lw(i)enddocreturncendcsubroutine pload(id,f,b,nneq,neq) cc.....Form load vector in compact formcimplicit real*8(a-h,o-z)dimension f(nneq),b(neq),id(nneq)common/iofile/ior,iowcb=0.0d0cj=id(n)if(j.gt.0)thenb(j)=f(n)endifenddocreturnendcsubroutine prtdis(id,b,ndf,numnp,neq)cc Print out nodal displacementscimplicit real*8(a-h,o-z)dimension id(ndf,numnp),b(neq),u(ndf,numnp)common/iofile/ior,iowcu=0.0d0do100i=1,numnpdo j=1,ndfn=id(j,i)if(n>0)u(j,i)=b(n)end do100continuecc Out nodal displacementscwrite(iow,'(//,19hnodal displacements,/)')do i=1,numnpwrite(iow,'(5x,i5,2x,3(e12.4,3x))')i,(u(k,i),k=1,ndf) end docreturnendcdouble precision function dot(a,b,n)implicit real*8(a-h,o-z)dimension a(n),b(n)cc.....Dot product functioncdot=0.0d0do10k=1,ndot=dot+a(k)*b(k)10continuereturn end。
平面三角形单元有限元程序设计
.. P9 m 9 m一、题目如图1所示，一个厚度均匀的三角形薄板，在顶点作用沿板厚方向均匀分布的竖向载荷。
：P=150N/m，E=200GPa，=0.25，t=0.1m，忽略自重。
试计算薄板的位移及应力分布。
要求：1.编写有限元计算机程序，计算节点位移及单元应力。
〔划分三角形单元，单元数不得少于30个〕；2.采用有限元软件分析该问题〔有限元软件网格与程序设计网格必须一致〕，详细给出有限元软件每一步的操作过程，并将结果与程序计算结果进展比照〔任选取三个点，比照位移值〕；3.提交程序编写过程的详细报告及计算机程序；4.所有同学参加辩论，并演示有限元计算程序。
有限元法中三节点三角形分析构造的步骤如下：1〕整理原始数据，如材料性质、荷载条件、约束条件等，离散构造并进展单元编码、结点编码、结点位移编码、选取坐标系。
2〕单元分析，建立单元刚度矩阵。
3〕整体分析，建立总刚矩阵。
4〕建立整体构造的等效节点荷载和总荷载矩阵5〕边界条件处理。
6〕解方程，求出节点位移。
7〕求出各单元的单元应力。
8〕计算结果整理。
一、程序设计网格划分如图，将薄板如图划分为6行，并建立坐标系，那么X Y P X YP刚度矩阵的集成建立与总刚度矩阵等维数的空矩阵，已变单元刚度矩阵的集成。
由单元分析节点、单元的排布规律，继而通过循环计算求得每个单元对应的节点序号。
通过循环逐个计算：〔1〕每个单元对应2种单元刚度矩阵中的哪一种； 〔2〕该单元对应总刚度矩阵的那几行哪几列〔3〕将该单元的单元刚度矩阵参加总刚度矩阵的对应行列循环又分为3层循环：〔1〕最外层：逐行计算〔2〕中间层：该行逐个计算〔3〕最里层：区分为第奇/偶数个计算单元刚度的集成：[][][][][][]''''''215656665656266256561661eZeeeZeZeeeekkkKkkkkkk+⋯++=⇓=⇒==⇒==⇒=⨯⨯⨯⨯⨯⨯边界约束的处理：划0置1法适用：这种方法适用于边界节点位移分量为(含为0)的各种约束。
平面三角形单元有限元程序设计
平面三角形单元有限元程序设计P9 m 9 m一、题目如图1所示,一个厚度均匀的三角形薄板,在顶点作用沿板厚方向均匀分布的竖向载荷。
已知:P=150N/m,E=200GPa,=0、25,t=0、1m,忽略自重。
试计算薄板的位移及应力分布。
要求:1.编写有限元计算机程序,计算节点位移及单元应力。
(划分三角形单元,单元数不得少于30个);2.采用有限元软件分析该问题(有限元软件网格与程序设计网格必须一致),详细给出有限元软件每一步的操作过程,并将结果与程序计算结果进行对比(任选取三个点,对比位移值);3.提交程序编写过程的详细报告及计算机程序;4.所有同学参加答辩,并演示有限元计算程序。
有限元法中三节点三角形分析结构的步骤如下:1)整理原始数据,如材料性质、荷载条件、约束条件等,离散结构并进行单元编码、结点编码、结点位移编码、选取坐标系。
2)单元分析,建立单元刚度矩阵。
3)整体分析,建立总刚矩阵。
4)建立整体结构的等效节点荷载与总荷载矩阵5)边界条件处理。
6)解方程,求出节点位移。
7)求出各单元的单元应力。
8)计算结果整理。
一、程序设计网格划分如图,将薄板如图划分为6行,并建立坐标系,则刚度矩阵的集成建立与总刚度矩阵等维数的空矩阵,已变单元刚度矩阵的集成。
由单元分析已知节点、单元的排布规律,继而通过循环计算求得每个单元对应的节点序号。
通过循环逐个计算:(1)每个单元对应2种单元刚度矩阵中的哪一种; (2)该单元对应总刚度矩阵的那几行哪几列 (3)将该单元的单元刚度矩阵加入总刚度矩阵的对应行列循环又分为3层循环:(1)最外层:逐行计算(2)中间层:该行逐个计算(3)最里层:区分为第 奇/偶 数个计算XYPXYP节点编号单元编号单元刚度的集成:[][][][][][]''''''215656665656266256561661eZeeeZeZeeeekkkKkkkkkk+⋯++=⇓=⇒==⇒==⇒=⨯⨯⨯⨯⨯⨯M边界约束的处理:划0置1法适用:这种方法适用于边界节点位移分量为已知(含为0)的各种约束。
有限元-用三角形单元分析
(e 1,2,3,4) 分块形式如下：
k e
(4-28)
页码: 9
材料成形数值模拟
School of Materials Science and engineering, WHUT 平面三角形单元整体分析
第4章 平面单元有限元法
2) 求各单元的贡献矩阵 K e 以单元②为例，贡献矩阵 K 2 由式(4-41)求出：
F K
F1 k11 F k 2 21 F6 k 61
分块形式
k12 k 22 k 62
k 66 6
解题步骤：先进行单元分析，得出单元矩阵； 考虑单元综合，得出整体矩阵。因此，平面问题有限元法步骤：
离散化→单元分析→整体分析
页码: 1
材料成形数值模拟
School of Materials Science and engineering, WHUT
4.4 平面三角形单元分析
第4章 平面单元有限元法
u1 1 v 1
则三角形单元结点位移向量为：
u1 v 1 1 u 2 e 2 v 2 3 u 3 v3 以 6 个结点位移分量作为基本未知量，对应的物理量是六个结点力分量， U 1 V F1 1 U 2 F e F2 V 2 F3 U 3 V3
Str 1 2 3 4 1 2 1 0 1 1 0 2 0 2 3 Et 1 0 3 1 4 4 1 2 1 3 5 0 0 2 0 1 0 1 1 6 1 2 6 0 1 1 0 0 2 1 2 0 1 2 0 3 0 1 3 E 5
有限元单元法程序设计
有限元单元法程序设计有限元单元法是一种用于工程结构分析和设计的计算方法，它将大型结构分解为许多小的离散单元，通过分析单元之间的相互作用来预测结构的力学行为。
有限元单元法程序设计是指针对特定工程问题，编写计算机程序来实现有限元分析的过程。
下面将介绍有限元单元法程序设计的基本流程和关键要点。
一、问题建模和网格划分有限元单元法程序设计的第一步是对工程结构进行合理的建模和网格划分。
建模的目的是将实际结构抽象为适用于有限元分析的数学模型，包括定义结构的几何特征、材料属性、边界条件等。
网格划分是将结构分解为许多小的单元，每个单元具有一定的形状和尺寸，以便于数值计算。
常用的单元形状包括三角形、四边形、四面体、六面体等，根据结构的特点选择合适的单元形状和尺寸。
二、单元刚度矩阵和载荷矩阵的求解在有限元单元法程序设计中，需要编写算法来求解每个单元的刚度矩阵和载荷矩阵。
单元刚度矩阵描述了单元内部的力学性能，包括刚度、弹性模量、泊松比等，它们通常通过数学公式或有限元理论推导得到。
载荷矩阵描述了单元受到的外部荷载，可以是均匀分布载荷、集中载荷或者边界条件引起的约束力。
通过合适的数值积分方法，可以计算得到每个单元的刚度矩阵和载荷矩阵。
三、组装全局刚度矩阵和载荷向量在有限元单元法程序设计中，需要将所有单元的刚度矩阵和载荷向量组装成整个结构的全局刚度矩阵和载荷向量。
这涉及到单元之间的连接关系以及边界条件的处理。
采用适当的组装算法，可以将各个单元的刚度矩阵和载荷向量叠加在一起，形成整个结构的刚度矩阵和载荷向量。
四、求解位移和应力有限元单元法程序设计的最后一步是求解结构的位移和应力。
通过斯蒂芬-泰勒算法或者其他迭代算法，可以得到整个结构的位移分布，然后根据位移场计算各个点的应变和应力。
这一过程涉及到对整个结构刚度矩阵的求解和对位移的后处理。
有限元单元法程序设计是一个复杂而又精密的工作，需要深入理解有限元原理、结构力学知识和数学方法。
matlab有限元三角形单元程序
matlab有限元三角形单元程序以下是一个简单的 MATLAB 有限元三角形单元程序的示例：```matlab% 定义模型参数E = 1000; % 弹性模量nu = 0.3; % 泊松比thickness = 1; % 板的厚度% 定义节点坐标nodes = [0, 0; 1, 0; 1, 1; 0, 1; 0.5, 0.5];% 定义单元连接关系connectivity = [1, 2, 5; 2, 3, 5; 3, 4, 5; 4, 1, 5];% 计算总节点数和总单元数numNodes = size(nodes, 1);numElements = size(connectivity, 1);% 初始化全局刚度矩阵和载荷向量K = zeros(numNodes);F = zeros(numNodes, 1);% 循环遍历每个单元for i = 1:numElements% 查找当前单元的节点编号nodesIndex = connectivity(i, :);% 根据节点编号从全局坐标矩阵中取出节点坐标coordinates = nodes(nodesIndex, :);% 计算当前单元的局部刚度矩阵localK = calculateLocalStiffness(E, nu, thickness, coordinates);% 组装局部刚度矩阵到全局刚度矩阵中K(nodesIndex, nodesIndex) = K(nodesIndex, nodesIndex) + localK;% 计算当前单元的局部载荷向量localF = calculateLocalLoad(thickness, coordinates);% 组装局部载荷向量到全局载荷向量中F(nodesIndex) = F(nodesIndex) + localF;end% 边界条件：节点1固定K(1, :) = 0;K(1, 1) = 1;F(1) = 0;% 解线性方程组U = K \ F;% 输出位移结果disp('节点位移：');disp(U);% 计算应力结果stress = calculateStress(E, nu, thickness, nodes, connectivity, U);% 输出应力结果disp('节点应力：');disp(stress);% 计算局部刚度矩阵的函数function localK = calculateLocalStiffness(E, nu, thickness, coordinates)% 计算单元的雅可比矩阵J = (1/2) * [coordinates(2,1)-coordinates(1,1), coordinates(3,1)-coordinates(1,1);coordinates(2,2)-coordinates(1,2), coordinates(3,2)-coordinates(1,2)];% 计算雅可比矩阵的逆矩阵invJ = inv(J);% 计算单元刚度矩阵B = invJ * [-1, 1, 0; -1, 0, 1];D = (E/(1-nu^2)) * [1, nu, 0; nu, 1, 0; 0, 0, (1-nu)/2]; localK = thickness * abs(det(J)) * (B' * D * B);end% 计算局部载荷向量的函数function localF = calculateLocalLoad(thickness, coordinates) localF = zeros(3, 1);midPoint = [sum(coordinates(:,1))/3,sum(coordinates(:,2))/3];localF(3) = thickness * 1 * det([coordinates(1,:); coordinates(2,:); midPoint]);end% 计算各节点应力的函数function stress = calculateStress(E, nu, thickness, nodes, connectivity, U)stress = zeros(size(nodes, 1), 3);for i = 1:size(connectivity, 1)nodesIndex = connectivity(i, :);coordinates = nodes(nodesIndex, :);Ke = calculateLocalStiffness(E, nu, thickness, coordinates);Ue = U(nodesIndex);stress(nodesIndex, :) = stress(nodesIndex, :) + (Ke * Ue)';endstress = stress / thickness;end```这个程序实现了一个简单的平面三角形单元有限元分析，包括定义节点坐标和单元连接关系、计算全局刚度矩阵和载荷向量、施加边界条件、解线性方程组、计算节点位移和应力等。
有限元的实施步骤
有限元的实施步骤引言有限元方法是一种用于求解工程问题的数值分析方法。
它通过将连续问题离散化为有限个小单元，然后以计算机模拟的方式求解这些小单元上的方程来近似求解原始问题。
本文将介绍有限元方法的实施步骤，并使用Markdown格式进行编写。
步骤一：建立几何模型1.确定几何模型的尺寸、形状和边界条件。
2.使用几何建模工具创建几何模型，例如计算机辅助设计（CAD）软件。
3.将几何模型导出为适合有限元分析的文件格式，例如.STL或.IGES。
步骤二：划分网格1.将几何模型划分为有限个小单元，通常是三角形或四边形。
2.划分网格时，需要考虑到准确度和计算效率的平衡。
3.在划分网格时，要注意避免产生倾斜或退化的单元。
步骤三：确定材料属性1.确定物体的材料属性，例如弹性模量、泊松比、密度等。
2.如果需要，可以使用实验方法或材料数据库来获得材料属性数据。
步骤四：建立边界条件1.确定边界条件，例如加载、约束条件等。
2.边界条件可以是力、位移或温度等。
3.边界条件的选择要考虑到模拟对象的实际情况以及所需的分析目标。
步骤五：建立数学模型1.选择适当的数学模型，例如弹性力学、热传导等。
2.根据数学模型建立有限元方程，例如弹性力学中的应力平衡方程。
步骤六：求解有限元方程1.将有限元方程转化为线性代数方程组。
2.使用数值方法（例如矩阵求解方法）求解线性代数方程组，得到近似解。
3.可以使用现有的数值计算软件（例如MATLAB、Python等）来实现求解过程。
步骤七：后处理结果1.对求解结果进行后处理，例如计算变形、应力、温度等。
2.可以使用可视化工具将结果以图形的形式展示出来，进一步分析和评估模拟结果。
结论有限元方法是一种求解工程问题的重要数值分析方法，它通过将连续问题离散化为有限个小单元来近似求解原始问题。
本文介绍了有限元方法的实施步骤，包括建立几何模型、划分网格、确定材料属性、建立边界条件、建立数学模型、求解有限元方程和后处理结果等。
三角形单元有限元程序设计
三角形单元有限元程序设计一、引言
⑴文档背景
⑵文档目的
⑶读者对象
⑷名词解释
二、程序结构设计
⑴程序流程图
⑵程序组成模块描述
⑶主要数据结构设计
⑷代码逻辑设计
三、数据预处理
⑴数据输入格式与读取
⑵数据清洗与去噪
⑶数据预处理方法
⑷数据分割与划分
四、网格
⑴网格算法介绍
⑵网格质量评估与改善
⑶网格的实现方法
五、有限元方法
⑴有限元离散的原理
⑵有限元单元的选择
⑶有限元离散的网格节点选取
⑷有限元插值函数的计算六、模型求解
⑴线性方程组的求解方法
⑵模型参数的设置与调整
⑶迭代算法的选择与实现七、模型评估与验证
⑴结果评估指标的选择
⑵模型验证方法
⑶结果可视化与分析
八、性能优化
⑴程序性能分析与评估
⑵程序高效化的方法与技巧
⑶并行计算与优化
九、实例与案例
⑴实例介绍与问题描述
⑵实例数据处理过程
⑶实例模型求解与结果分析十、总结与展望
⑴工作总结
⑵程序改进与优化展望
⑶研究方向与发展趋势
十一、附件
●附件1、程序源代码
●附件2、输入数据样例文件
●附件3、网格结果数据文件附录：法律名词及注释
●法律名词1、注释1
●法律名词2、注释2
●法律名词3、注释3
请注意，附件的具体文件名和数据内容将根据你的实际情况进行调整。
法律名词及注释部分需要根据实际需要进行扩充和修改。
请合理对文档结构和章节内容进行调整，以符合你的具体要求。
有限元2-弹性力学平面问题有限单元法(2.1三角形单元,2.2几个问题的讨论)分析
第2章弹性力学平面问题有限单元法2.1 三角形单元(triangular Element)三角形单元是有限元分析中的常见单元形式之一，它的优点是:①对边界形状的适应性较好，②单刚形式及其推导比较简单,故首先介绍之。
一、结点位移和结点力列阵设右图为从某一结构中取出的一典型三角形单元。
在平面应力问题中，单元的每个结点上有沿x、y两个方向的力和位移，单元的结点位移列阵规定为：相应结点力列阵为: (式2-1-1)二、单元位移函数和形状函数前已述及，有限单元法是一种近似方法，在单元分析中，首先要求假定（构造）一组在单元内有定义的位移函数作为近似计算的基础。
即以结点位移为已知量，假定一个能表示单元内部（包括边界）任意点位移变化规律的函数。
构造位移函数的方法是：以结点(i,j,m)为定点。
以位移(u i ,v i ,…u m v m )为定点上的函数值，利用普通的函数插值法构造出一个单元位移函数。
在平面应力问题中，有u,v两个方向的位移,若假定单元位移函数是线性的,则可表示成:(,)123u u x y x yααα==++546(,)v v x y x yααα==++(2-1-2)a式中的6个待定常数α1 ,…, α6 可由已知的6个结点位移分量(3个结点的坐标) {}⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=mjimeddddmjjivuvuvui{}iijjmXYX(2-1-1)YXYiejmmFF FF⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪==⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭确定。
将3个结点坐标(x i,y i ),(x j,y j ),(x m,y m )代入上式得如下两组线性方程:123i i i u x y ααα=++ 123j j j u x y ααα=++ (a)123m m m u x y ααα=++和546i i i v x y ααα=++ 546j j j v x y ααα=++ (b)546m m m v x y ααα=++利用线性代数中解方程组的克来姆法则,由(a)可解出待定常数1α 、2α 、3α :11A Aα=22A Aα=33A Aα=式中行列式:1i i i j j j m m m u x y A u x y u x y =2111i i j j m mu y A u y u y =3111i i j j m m x u A x u x u = 2111i i j j m mAx y A x y x y ==A 为△ijm 的面积,只要A 不为0,则可由上式解出:11()2m m i ij j a u a u a u A α=++ 21()2m m i ij j bu b u b u A α=++ （C ）31()2m mi i j j c u c u c u A α=++式中:m m i j j a x y x y =- m m j i i a x y x y =- m i j j i a x y x y =-m i j b y y =- m j i b y y =- m i j b y y =- （d ）m i j c x x =- m j i c x x =- m j i c x x =-为了书写方便，可将上式记为: m m i j ia x y x y =-m ij by y =- (,,)i j m u u u u ruu u u r m i jc x x =-(,,)i j m u u u u ru u u u r表示按顺序调换下标,即代表采用i,j,m 作轮换的方式便可得到(d)式。
有限元方法课件 第四章 平面三角形单元
第四章 平面三角形单元
§4–1 有限元法的基本思想 §4–2 三角形常应变单元 §4–3 形函数的性质 §4–4 刚度矩阵 §4–5 等效节点力载荷列阵 §4–6 有限元分析的实施步骤 §4–7 计算实例
§4-1 有限元法的基本思想
一、有限元法的基本思想 假想的把一连续体分割成数目有限的小体（单元），
vi (Vi )
i ui (Ui )
m
um (Um )
o
x
图4-2 平面三角形单元
将 (d) 式代入 (b) 式的第一式，经整理后得到
u 1 2ai源自bi x ci yuiaj
bjx cj y
uj
am bm x cm yum
(e)
其中 同理可得
ai
xj xm
yj ym
x j ym xm y j
这样，位移模式 (e) 和 (f) 就可以写为
u Ni ui N j u j N mum v Nivi N jv j Nmvm
(4-11)
也可写成矩阵形式
f
u v
Ni I
NjI
NmI e N e
(4-12)
式中 I是二阶单位矩阵；Ni 、Nj 、Nm 是坐标的函数， 它们反映了单元的位移状态，所以一般称之为形状函数，简 称形函数。矩阵 [N] 叫做形函数矩阵。三节点三角形单元的 形函数是坐标的线性函数。单元中任一条直线发生位移后仍 为一条直线，即只要两单元在公共节点处保持位移相等。则 公共边线变形后仍为密合。
f N e
（4-1）
f ——单元内任一点的位移列阵； e——单元的结点位移列阵；
N ——单元的形函数矩阵；（它的元素是任一点位置坐
有限元2-弹性力学平面问题(24矩形单元,25六节点三角形单元)
u 1 1 2 3 4 u 2 1 2 3 4
u 3 1 2 3 4
u 4 1 2 3 4
有限单元法
土木工程学院
P-9/44
解方程组便可求得待定常数。将这些参数代回式 （2-4-4），经整理得：
(1,1)
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P-6/44
二、结点位移列阵和结点力列阵
每个结点2个位移分量，共８个位移分量， 设结点位移和结点力列阵分别为：
d u v u v u v u v
e
2 4 2 e T F X Y X Y X Y X Y 1 1 2 2 3 3 4 4 2 4 3
有限单元法
土木工程学院
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第2章 弹性力学平面问题有限单元法
2.1 三角形单元 2.2 三角形单元中几个问题的讨论 2.3 平面问题有限元程序设计 2.4 矩形单元 2.5 六结点三角形单元 2.6 四结点四边形单元 2.7 八结点曲线四边形等参元 2.8 几个问题的补充
有限单元法
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3
1
2
(1 ,1 )
(1,1)
有限单元法
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如果引进参数: ξ0=ξiξ, η0=ηiη(i=1, 2, 3, 4), (ξi, ηi)是矩形单元4个结点的局部坐标。结点i(ξi, ηi)的 坐标值分别是 (-1,-1), (1,-1),(1,1), (-1,-1)。代入 上式，则可将上式简记成：
Ai Li A
Lj Aj A
Am Lm A
i
m
Aj
第2章 弹性力学平面问题有限单元法(1-3节)
第二章 弹性力学平面问题有限单元法§2-1 三角形单元(triangular Element)三角形单元是有限元分析中的常见单元形式之一，它的优点是:①对边界形状的适应性较好，②单刚形式及其推导比较简单,故首先介绍之。
一、结点位移和结点力列阵设右图为从某一结构中取出的一典型三角形单元。
在平面应力问题中，单元的每个结点上有沿x 、y 两个方向的力和位移，单元的结点位移列阵规定为： 相应结点力列阵为: (式2-1-1)二、单元位移函数和形状函数前已述及，有限单元法是一种近似方法，在单元分析中，首先要求假定（构造）一组在单元内有定义的位移函数作为近似计算的基础。
即以结点位移为已知量，假定一个能表示单元内部（包括边界）任意点位移变化规律的函数。
构造位移函数的方法是：以结点(i,j,m)为定点。
以位移(u i ,v i ,…u m v m )为定点上的函数值，利用普通的函数插值法构造出一个单元位移函数。
在平面应力问题中，有u,v 两个方向的位移,若假定单元位移函数是线性的,则可表示成:(,)123u u x y x y ααα==++546(,)v v x y x y ααα==++ (2-1-2)a{}⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=m j i m ed d d d m j j i v u v u v u i {}ii j j m X Y X (2-1-1)Y X Y iej m m F F F F ⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎧⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪==⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎭式中的6个待定常数α1 ,…, α6 可由已知的6个结点位移分量(3个结点的坐标)确定。
将3个结点坐标(x i,y i ),(x j,y j ),(x m,y m )代入上式得如下两组线性方程:123i i i u x y ααα=++123j j j u x y ααα=++ (a)123m m m u x y ααα=++和546i i i v x y ααα=++546j j j v x y ααα=++ (b)546m m m v x y ααα=++利用线性代数中解方程组的克来姆法则,由(a)可解出待定常数1α 、2α 、3α :11A Aα=22A Aα=33A Aα=式中行列式:1i i i j j j m m m u x y A u x y u x y =2111i i j j m mu y A u y u y =3111i i j jm mx u A x u x u =2111i i j j m mAx y A x y x y ==A 为△ijm 的面积,只要A 不为0,则可由上式解出:11()2m m i ij j a u a u a u A α=++ 21()2m m i ij j bu b u b u A α=++ （C ）31()2m mi i j j c u c u c u A α=++式中:m m i j j a x y x y =- m m j i i a x y x y =- m i j j i a x y x y =-m i j b y y =- m j i b y y =- m i j b y y =- （d ）m i j c x x =- m j i c x x =- m j i c x x =-为了书写方便，可将上式记为:m m i j i a x y x y =-m ij by y =- (,,)i j mm i jc x x =-(,,)i j m表示按顺序调换下标,即代表采用i,j,m 作轮换的方式便可得到(d)式。
有限元平面问题三角形实例
有限元平面问题三角形实例有限元法是一种常用的计算方法，可以用来解决各种工程问题。
其中，有限元平面问题是有限元法的一种应用，常用于分析三角形结构。
在有限元平面问题中，我们通常会将结构划分成许多小的单元，每个单元由节点和单元刚度矩阵组成。
而三角形结构则是有限元平面问题中常用的一种单元形状。
三角形结构的特点是简单而且易于处理，因此广泛应用于各种领域，如土木工程、机械工程、航空航天等。
下面我们就以一个实际的例子来说明如何应用有限元平面问题分析三角形结构。
假设我们要分析一个三角形钢板在受力作用下的变形情况。
首先，我们需要将钢板划分为许多小的三角形单元。
每个单元由三个节点组成，节点之间通过边连接。
在有限元分析中，我们需要对每个单元进行网格划分，并确定节点的坐标和边的长度。
然后，通过求解节点的位移和应力分布，可以得到钢板在受力作用下的变形情况。
具体来说，我们可以通过求解线性方程组来得到节点的位移。
而节点的应力则可以通过应变-位移关系来计算。
通过这种方式，我们可以得到钢板在受力作用下各个节点的位移和应力分布情况。
有限元平面问题的分析结果可以帮助我们了解结构的强度和刚度情况，为设计和优化提供依据。
例如，在钢板的设计中，我们可以通过有限元分析来确定合适的材料和尺寸，以满足结构的强度和刚度要求。
除了钢板，有限元平面问题还可以应用于其他类型的三角形结构。
例如，在土木工程中，我们可以使用有限元分析来分析三角形桥梁或者三角形支撑结构的变形和应力分布情况。
有限元平面问题是一种常用的分析方法，可以应用于各种三角形结构的分析。
通过对节点的位移和应力分布的求解，我们可以得到结构在受力作用下的变形情况。
这对于工程设计和优化至关重要，可以帮助我们提高结构的强度和刚度，确保其安全可靠。
有限元方法-第五章--平面三角形单元
D
E
1 2
1
0
对 1 0
称
1
(i)
2
所以，[S]的子矩阵可记为
Si DBi
E
2 1 2
bi
1
bi
2
ci
ci
1
ci
2
bi
（ i
,
j
,
m轮换） (5-19)
对于平面应变问题，只要将 (i) 式中的E换成E/1-2 ， 换成 /1-，即得到其弹性矩阵
D
1
E1 1 2
1
1
起来，便可近似地表示整个区域的真实位移函数。这种 化繁为简、联合局部逼近整体的思想，正是有限单元法 的绝妙之处。
基于上述思想，我们可以选择一个单元位移模式，
单元内各点的位移可按此位移模式由单元节点位移通过
插值而获得。线性函数是一种最简单的单元位移模式，
故设
u 1 2x 3y
v 4 5x 6y
(b)
0
(b)
Ni xm
,
ym
1 2
ai
bi xm
ci ym
0
(c)
类似地有
N j xi , yi 0 , N j x j , y j 1 , N j xm , ym 0 (d) Nm xi , yi 0 , Nm x j , y j 0 , Nm xm , ym 1
式中 1、2、…6是待定常数。因三角形单元共有六个
自由度，且位移函数u、v在三个节点处的数值应该等于 这些点处的位移分量的数值。假设节点i、j、m的坐标分 别为（xi , yi ）、（xj , yj ）、（xm , ym ），代入 (b) 式， 得：
ui 1 2 xi 3 yi
三角形单元有限元法
x a2 , y y a5 , xy a3 a5 a2 a6
选取位移函数应考虑的问题
（1）位移函数的个数 等于单元中任意一点的位移分量个数。本单元中 有u和v，与此相应，有2个位移函数；
（2）位移函数是坐标的函数 本单元的坐标系为：x、y；
（3）位移函数中待定常数个数 待定常数个数应等于单元节点自由度总数，以 便用单元节点位移确定位移函数中的待定常数。本 单元有6个节点自由度，两个位移函数中共包含6个 待定常数。
1 E ，换为 2
1
。
{ } [ D]{ }
(1-8）
各种类型结构的弹性物理方程都可用式(1-8）描 述。但结构类型不同，力学性态 (应力分量、应变分 量)有区别， 弹性矩阵[D]的体积和元素是不同的。
1.3 位移函数和形函数
• 1、位移函数概念 由于有限元法采用能量原理进行单元分析，因而 必须事先设定位移函数。 “位移函数”也称 “位移 模式”，是单元内部位移变化的数学表达式，设为坐 标的函数。 一般而论，位移函数选取会影响甚至严重影响 计算结果的精度。在弹性力学中，恰当选取位移函数 不是一件容易的事情；但在有限元中，当单元划分得 足够小时，把位移函数设定为简单的多项式就可以获 得相当好的精确度。这正是有限单元法具有的重要优 势之一。
P
① 1 2 ②
3
l/2
l/2
单元的 节点上 有位移 和力F
②
2、F2
1
①
2
l/2
4、F4
2、F2
2
3
l/2
4、F4
1、F1
3、F3
1、F1
3、F3
（2）单元集合：把所有离散的有限个单元集合起来 代替原结构，形成离散结构节点平衡方程。
利用Maple编制平面问题有限元程序
第15卷第2期 2007年4月安徽建筑工业学院学报(自然科学版)Journal of Anhui Institute of Architecture &IndustryVol.15No.2 Apr.2007 收稿日期:2006201223作者简介:凡大林(1981-)男,硕士研究生,主要研究方向为工程结构分析与计算机辅助设计、仿真。
利用Maple 编制平面问题有限元程序凡大林, 方诗圣(合肥工业大学土木建筑工程学院,合肥 230009)摘 要:文章通过分别使用Maple 与Fortran 语言编程解决同一问题的比较,使读者可以容易地了解到Maple 软件比其他计算机语言进行编程时,更简洁、直观,而且降低了对编程者的数学要求,并且结合具体算例进一步介绍了如何应用Maple 的这些优点,编制有限元程序,解决工程中常遇到的平面问题。
为应用Maple 软件编制有限元计算程序提供一种可借鉴的模式。
关键词:Maple ;平面问题;有限元程序中图分类号:TP311.1 文献标识码:A 文章编号:100624540(2007)022081204Application of maple to make f inite element programFAN Da 2lin , FAN G Shi 2sheng(School of Civil Engineering ,Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China )Abstract :This paper make t he reader known maple ’s advantages such as int uitive exp ression form ,lit 2tle mat he t heory demand Easily by solving t he same p roblem in Maple and Fort ran.The paper int ro 2duces how to use t hese advantages to make Finite Elment Program to solve plannar problem This st udy p rovides a good reference mode for making Finite Elment Program in Maple.K ey w ords :Maple ;plane problem ;Finite Element Program Maple 软件是由加拿大沃特卢(Waterloo )大学研发的一个具有强大符号运算能力、数值运算能力、图形处理能力的交互式计算机代数系统[1]。
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平面三角形单元有限元程序设计P9 m 9 m一、题目如图1所示，一个厚度均匀的三角形薄板，在顶点作用沿板厚方向均匀分布的竖向载荷。
已知：P=150N/m，E=200GPa，=0.25，t=0.1m，忽略自重。
试计算薄板的位移及应力分布。
要求：1.编写有限元计算机程序，计算节点位移及单元应力。
（划分三角形单元，单元数不得少于30个）；2.采用有限元软件分析该问题（有限元软件网格与程序设计网格必须一致），详细给出有限元软件每一步的操作过程，并将结果与程序计算结果进行对比（任选取三个点，对比位移值）；3.提交程序编写过程的详细报告及计算机程序；4.所有同学参加答辩，并演示有限元计算程序。
有限元法中三节点三角形分析结构的步骤如下：1）整理原始数据，如材料性质、荷载条件、约束条件等，离散结构并进行单元编码、结点编码、结点位移编码、选取坐标系。
2）单元分析，建立单元刚度矩阵。
3）整体分析，建立总刚矩阵。
4）建立整体结构的等效节点荷载和总荷载矩阵5）边界条件处理。
6）解方程，求出节点位移。
7）求出各单元的单元应力。
8）计算结果整理。
一、程序设计网格划分如图，将薄板如图划分为6行，并建立坐标系，则X Y P X Y P边界约束的处理：划0置1法适用：这种方法适用于边界节点位移分量为已知(含为0)的各种约束。
做法：（1）将总刚矩阵〔K〕中相应于已知位移行主对角线元素置1，其他元素改为零；同时将载荷列阵｛R｝中相应元素用已知位移置换。
◎这样，由该方程求得的此位移值一定等于已知量。
（2）将〔K〕中已知位移相应的列的非主对角成元素也置0，以保持〔K〕的对称性。
◎当然，在已知位移分量不为零的情况下，这样做就改变了方程左端的数值，为保证方程成立，须在方程右端减去已知位移对该方程的贡献——已知位移和相应总刚元素的乘积。
◎若约束为零位移约束时，此步则可省去。
特点：（1）经以上处理同样可以消除刚性位移(约束足够的前提下)，去掉未知约束反力。
（2）但这种方法不改变方程阶数，利于存贮。
（3）不过，若是要求出约束反力，仍要重新计算各个划去的总刚元素。
程序如下：变量说明NNODE 单元节点数NPION 总结点数NELEM 单元数NVFIX 受约束边界点数FIXED 约束信息数组NFORCE 节点力数FORCE 节点力数组COORD 结构节点坐标数组LNODS 单元定义数组YOUNG 弹性模量POISS 泊松比THICK 厚度B 单元应变矩阵(3*6)D 单元弹性矩阵(3*3)S 单元应力矩阵(3*6)A 单元面积ESTIF 单元刚度矩阵ASTIF 总体刚度矩阵ASLOD 总体荷载向量ASDISP 节点位移向量ELEDISP 单元节点位移向量STRESS 单元应力%********************************************************* *%初始化clearformat short e %设定输出类型clear %清除内存变量NELEM=36 %单元个数（单元编码总数）NPION=28 %结点个数（结点编码总数）NVFIX=2 %受约束边界点数NFORCE=1 %结点荷载个数YOUNG=2e11 %弹性模量POISS=0.25 %泊松比THICK=0.1 %厚度LNODS=[1 2 3;2 4 5;2 5 3;3 5 6;4 7 8;4 8 5;5 8 9;5 9 6;6 9 10;7 11 12;7 12 8;8 12 13;8 13 9;9 13 14;9 14 10;10 14 15;11 16 17;11 17 12; 12 17 18; 12 18 13;13 18 19; 13 19 14;14 19 20;14 20 15;15 20 21;16 22 23;16 23 17;17 23 24;17 24 18;18 24 25;18 25 19;25 19 26;19 26 20;20 26 27;20 27 21;21 27 28] %单元定义数组（单元结点号）%相应为单元结点号（编码）、按逆时针顺序输入COORD=[0 0;-0.75 1.5;0.75 1.5;-1.5 3;0 3;1.5 3;-2.25 4.5;-0.75 4.5;0.75 4.5;2.25 4.5;-3 6;-1.5 6;0 6;1.5 6;3 6;-3.75 7.5;-2.25 7.5; -0.75 7.5;0.75 7.5;2.25 7.5;3.75 7.5;-4.5 9;-3 9;-1.5 9;0 9;1.5 9;3 9;4.5 9] %结点坐标数组%坐标：x，y 坐标（共NPOIN 组）FORCE=[1 0 -15] %结点力数组（受力结点编号, x 方向,y 方向）FIXED=[22 1 1;28 1 1] %约束信息（约束点，x 约束，y 约束）%有约束为1，无约束为0%**********************************************************%生成单元刚度矩阵并组成总体刚度矩阵ASTIF=zeros(2*NPION,2*NPION); %生成特定大小总体刚度矩阵并置0%**********************************************************for i=1:NELEM%生成弹性矩阵 DD= [1 POISS 0;POISS 1 0;0 0 (1-POISS)/2]*YOUNG/(1-POISS^2)%**********************************************************%计算当前单元的面积A=-det([1 COORD(LNODS(i,1),1) COORD(LNODS(i,1),2);1 COORD(LNODS(i,2),1) COORD(LNODS(i,2),2);1 COORD(LNODS(i,3),1) COORD(LNODS(i,3),2)])/2%**********************************************************%生成应变矩阵 Bfor j=0:2b(j+1)=COORD(LNODS(i,(rem((j+1),3))+1),2)-COORD(LNODS(i,(r em((j+2),3))+1),2);c(j+1)=-COORD(LNODS(i,(rem((j+1),3))+1),1)+COORD(LNODS(i,( rem((j+2),3))+1),1);endB=[b(1) 0 b(2) 0 b(3) 0;0 c(1) 0 c(2) 0 c(3);c(1) b(1) c(2) b(2) c(3) b(3)]/(2*A);B1( :,:,i)=B;%********************************************************* *%求应力矩阵S=D*BS=D*B;ESTIF=B'*S*THICK*A; %求解单元刚度矩阵a=LNODS(i,:); %临时向量,用来记录当前单元的节点编号for j=1:3for k=1:3ASTIF((a(j)*2-1):a(j)*2,(a(k)*2-1):a(k)*2)=ASTIF((a(j)*2-1 ):a(j)*2,(a(k)*2-1):a(k)*2)+ESTIF(j*2-1:j*2,k*2-1:k*2);%根据节点编号对应关系将单元刚度分块叠加到总刚%度矩阵中endendend%********************************************************* *%将约束信息加入总体刚度矩阵（对角元素改一法）for i=1:NVFIXif FIXED(i,2)==1ASTIF(:,(FIXED(i,1)*2-1))=0; %一列为零ASTIF((FIXED(i,1)*2-1),:)=0; %一行为零ASTIF((FIXED(i,1)*2-1),(FIXED(i,1)*2-1))=1; %对角元素为 1end%********************************************************* *%生成单元刚度矩阵并组成总体刚度矩阵%********************************************************* *if FIXED(i,3)==1ASTIF( :,FIXED(i,1)*2)=0; %一列为零ASTIF(FIXED(i,1)*2,:)=0; %一行为零ASTIF(FIXED(i,1)*2 ,FIXED(i,1)*2)=1; %对角元素为 1endend%********************************************************* *%生成荷载向量ASLOD(1:2*NPION)=0; %总体荷载向量置零for i=1:NFORCEASLOD((FORCE(i,1)*2-1):FORCE(i,1)*2)=FORCE(i,2:3);end%********************************************************* *%求解内力ASDISP=ASTIF\ASLOD' %计算节点位移向量ELEDISP(1:6)=0; %当前单元节点位移向量for i=1:NELEMfor j=1:3ELEDISP(j*2-1:j*2)=ASDISP(LNODS(i,j)*2-1:LNODS(i,j)*2);%取出当前单元的节点位移向量endiSTRESS=D*B1(:, :, i)*ELEDISP' %求内力end（程序计算结果和有限元软件得出的结果稍有偏差，可能是程序某些地方数据输入时出了问题，还在寻找具体原因）二、有限元软件分析设置材料参建网格划分。