太原理工大学有限元考试题目2013

太原理工大学有限元复习题

一、简答题

1、弹性力学和材料力学在研究对象上的区别？

答：材料力学的研究对象是杆状构件，即长度远大于宽度和厚度的构件。弹性力学除了研究杆状构件外，还研究板、壳、块，甚

至是三维物体等。因此，弹性力

学的研究对象要广泛得多。

2、理想弹性体的五点假设？

答：连续性假定、完全弹性假定、均匀性假定、

各向同性假定、小位移和小变形

的假定。

3、什么叫轴对称问题，采用什么坐标系分析？为

什么？

答：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，那么弹性

体所有的位移、应变和应力也都对称于这根轴，

这类问题称为轴对称问题。对于

轴对称问题，采用圆柱坐标比采用直角坐标方便

得多。当以弹性体的对称轴为Z

轴时，则所有的应力分量，应变分量和位移分量

都只与坐标r、z有关，而与θ无关。

4、梁单元和杆单元的区别？

答：梁单元和杆单元在形状上没有多大区别，其

截面可以是任何形状，有一方向的长度远远大于

另外两个方向。主要区别是受力不同，梁单元主

要承受弯矩，杆单元主要承受轴向力。杆单元通

常用于网架、桁架的分析；而梁单元则基本上可

以适用于各种情况。

5、薄板弯曲问题与平面应力问题的区别？

答：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，变形发生在板面内；后者受力

特点是当承受垂直于板面的载荷时，板在弯曲应

力和扭转应力作用下将变成曲面板。

6、有限单元法结构刚度矩阵的特点？

答：主对称元素总是正的；对称性；稀疏性；奇

异性；非零元素呈带状分布。

7、有限单元法的收敛性准则？

答：完备性要求，协调性要求。

完备性要求。如果出现在泛函中场函数的最高阶

导数是m阶，则有限元解收敛的条件之一是单元

内场函数的试探函数至少是m次完全多项式。或

者说试探函数中必须包括本身和直至m阶导数为

常数的项。单元的插值函数满足上述要求时，我们称单元是完备的。

协调性要求。如果出现在泛函中的最高阶导数是m 阶，则试探函数在单元交界面上必须具有Cm-1连续性，即在相邻单元的交界面上应有函数直至m-1阶的连续导数。

当单元的插值函数满足上述要求时，我们称单元是协调的。

8、简述圣维南原理在工程实际中的应用？

答：在工程实际中物体所受的外载荷往往比较复杂，一般很难完全满足边界条件。当所关心的并不是载荷作用区域内的局部应力分布时，可以利用圣维南原理加以简化。圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用，能够得到合理的结果，优化了结构性能。圣维南原理在材料力学中也有应用，在工程实际中经常要计算连接件，如铆钉，螺栓，键等，由于构件本身尺寸较小，变形比较复杂，采用计算其名义应力，然后根据直接的试验结果，确定其相应的许用应力，来进行强度计算。

二、论述题

1、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

答：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近似的典型问题进行求解，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。平面问题分为平面应力问题和平面应变问题，当研究对象一个方向的尺寸远小于另两个方向，外力和约束仅平行于板面作用而沿Z向不变，且仅有的三个应力分量是x、y的函数时，这样的空间问题就可以转换成平面应力问题；当研究对象一个方向的尺寸远大于另外两个方向的尺寸且沿长度方向几何形状和尺寸不变，外力平行于横截面作用而沿长度z方向不变，任意一横截面均可视为对称面，这样的空间问题就可以转换成平面应变问题，如挡土墙、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、应变和位移也就对称与这根轴，这样的问题就可以转换为轴对称问题。当构件的长度远大于其横截面尺寸，如传动轴、梁杆等，这样的问题就可

以转换为空间梁问题。

2、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两方面进行有限元分析

答：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，接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：力学模型的确定；结构的离散化；计算载荷的等效节点力；计算各单元的刚度矩阵；组集整体刚度矩阵；施加便捷约束条件；求解降阶的有限元基本方程；求解单元应力；计算结果的输出。

成熟软件①前处理器：定义单元类型；定义材料属性；建模；约束，载荷施加等②求解器。单元刚度矩阵生成；约束处理；线性方程组，单元位移及应力等求解③后处理器：结果查询与显示；验算等。

3、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？答：一、学习数学基础知识

(1)矩阵论，由于涉及到多维广义坐标下的运算，有限元多以矩阵的形式表达，力求简化形式，突出重点。(2)泛函和变分。泛函是寻找场函数在积分域上的最优值问题，变分是泛函研究的重要手段。(3)数值方法，有限元本身就是数值方法，在实现有限元分析的过程中，要用到大量的数值方法和算法。(4)数学分析，其中的多元函数积分，向量函数的积分应用较多。

二、学习程序实现和使用

(1)程序实现，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，应学习C或C++等语言。(2)程序使用，熟练掌握大型有限元程序，如ANSYS、SAP等，使用程序使用有限元，要注意观察程序的计算结果，有意识的根据单元的特性分析结果特点。

三、要有一定的力学基础

熟练理论力学，材料力学、结构力学，特别是弹性力学，很多工程中的有限元问题未能很好的解答，并非由于软件的功能所致，而是我们的知识不够。