有限元法的基本思想及计算步骤

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计算电磁学中的有限元方法

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。

有限元课后习题答案

有限元课后习题答案

有限元课后习题答案1.1有限元法的基本思想和基本步骤是什么首先,将表示结构的连续离散为若干个子域,单元之间通过其边界上的节点连接成组合体。

其次,用每个单元内所假设的近似函数分片地表示求解域内待求的未知厂变量。

步骤:结构的离散化,单元分析,单元集成,引入约束条件,求解线性方程组,得出节点位移。

1.2有限元法有哪些优点和缺点优点:有限元法可以模拟各种几何形状复杂的结构,得出其近似解;通过计算机程序,可以广泛地应用于各种场合;可以从其他CAD软件中导入建好的模型;数学处理比较方便,对复杂形状的结构也能适用;有限元法和优化设计方法相结合,以便发挥各自的优点。

缺点:有限元计算,尤其是复杂问题的分析计算,所耗费的计算时间、内存和磁盘空间等计算资源是相当惊人的。

对无限求解域问题没有较好的处理办法。

1.3有限元法在机械工程中有哪些具体的应用静力学分析模态分析动力学分析热应力分析其他分析2.1杆件结构划分单元的原则是什么?1)杆件的交点一定要取为节点2)阶梯形杆截面变化处一定要取为节点3)支撑点和自由端要取为节点4)集中载荷作用处要取为节点5)欲求位移的点要取为节点6)单元长度不要相差太多2.2简述单元刚度矩阵的性质。

单元刚度矩阵是描述单元节点力与节点位移之间关系的矩阵。

2.3有限元法基本方程中每一项的意义是什么?{Q}---整个结构的节点载荷列阵(包括外载荷、约束力);{}---整个结构的节点位移列阵;[K]---结构的整体刚度矩阵,又称总刚度矩阵。

2.4简述整体刚度矩阵的性质和特点。

对称性奇异性稀疏性主对角上的元素恒为正2.5位移边界条件和载荷边界条件的意义是什么由于刚度矩阵的线性相关性不能得到解,从而引入边界条件。

2.6写出平面刚架问题中单元刚度矩阵的坐标变换式2.7推导平面刚架局部坐标系下的单元刚度矩阵。

2.8简述整体坐标的概念。

单元刚度矩阵的坐标变换式把平面刚架的所有单元在局部坐标系X’O’Y’下的单元刚度矩阵变换到一个统一的坐标系xOy下,这个统一的坐标系xOy称为整体坐标系。

有限元经典PPT第4章

有限元经典PPT第4章

Pii Kiiui
Ki1u1 Ki2u2 Kiiui K u i,i1 i1
ui
n
Kiiui Kiiui
Kiju j
4.1.2 平面应力问题有限元的基本思想和瑞雷-里兹法
v3 f3y
3
u3
f3x
f1y v1 u1
1 f1x
v2 f2y u2
2 f2x
给定一个三角形单元和作用在角点上 的六个力,要求得六个角点的位移。 或者是要求三角形角点发生指定的位 移,在三角形三个角点如何加力?
很显然,问题的精确解很困难。采用 瑞雷-里兹法求近似式解
e号单元的三个节点I,j,k的力对应的 力的平衡方程是第2i-1,2i;2j-1,2j;2k1,2k个平衡方程
e号单元的三个节点I,j,k的位移是第 2i-1,2i;2j-1,2j;2k-1,2k个未知数
弹性模量:E 横截面积:A
1
1 L
2
2L
3
局部系单元刚度阵:
k
1
EA L
1 -1
-1
1
2 集成总刚:
0 1
解得:
ux uy
L EA
3.8284L
EA
i
j
第一类位移条件:
Ki1u1 Ki2u2 Kiiui Ki1ui1
ui 0
令: Kij 0 i j
m
vi 0
Kii 1
um 0
Pi 0
ui 0
第二类位移条件:um um
大数
充大数法: Kii Kii
第一步:求转换矩阵
k2
EA 1 2L -1
-1
1
P
cos 0
T sin

有限元计算原理

有限元计算原理

有限元计算原理
有限元计算原理是一种工程分析的方法,用于求解各种结构及连续体的力学问题。

其基本思想是将结构或连续体分割成有限数量的小单元,然后通过对这些小单元进行计算,再将其组合起来求解整体问题。

这种方法可以将结构或连续体的力学行为分析得非常精确,可以获得结构的应力应变分布、位移分布等信息。

有限元计算的原理可以概括为以下几个步骤:
1. 网格划分:将结构或连续体划分成许多小单元,即有限元,这些小单元通过节点连接起来构成整个结构。

2. 求解力学方程:根据结构或连续体的几何形状和物理特性,建立相应的力学方程组。

通常采用弹性力学理论来描述结构或连续体的力学行为。

3. 边界条件的处理:给定结构或连续体的边界条件,如固支、约束力等,在有限元网格中对应的节点上施加相应的约束。

4. 单元刚度矩阵的组装:通过计算每个小单元的刚度矩阵,将其组装成整个结构或连续体的整体刚度矩阵。

5. 单元荷载向量的组装:根据给定的荷载条件,在每个小单元上计算相应的荷载向量,将其组装成整个结构或连续体的荷载向量。

6. 求解位移和应力:根据组装好的整体刚度矩阵和荷载向量,通过求解线性方程组,得到结构或连续体中每个节点的位移和应力。

7. 后处理:根据求解得到的位移和应力,可以计算出结构或连续体的各种物理量,比如应变、应力、变形等。

通过这种有限元计算的方法,可以对各种复杂的结构或连续体进行力学分析和优化设计。

有限元法

有限元法

一:有限元的基本思想有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。

由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模型化几何形状复杂的求解域。

通常有限元法都遵循以下基本步骤:物体的离散化:离散化是有限元法的基础,这就是依据结构的实际情况,选择合适的单元形状、类型、数目、大小以及排列方式,将拟分析的物体假想地分成有限个分区或分块的集合体。

假设这些单元在处于它们边界上的若干个离散节点处相互连接,这些节点的位移将是该问题的基本未知参数。

挑选形函数或插值函数:选择一组函数,通常是多项式,最简单的情况是位移的线性函数。

这些函数应当满足一定条件,该条件就是平衡方程,它通常是通过变分原理得到的,可由每个“有限单元”的节点位移唯一地确定该单元中的位移状态。

确定单元的性质:确定单元性质就是对单元的力学性质进行描述。

确定了单元位移后,可以很方便地利用几何方程和物理方程求得单元的应变和应力。

一般用单元的刚度矩阵来描述单元的性质,确定单元节点力与位移的关系。

组成物体的整体方程组:组成物体的整体方程组就是由已知的单元刚度矩阵和单元等效节点载荷列阵集成表示整个物体性质的结构刚度矩阵和结构载荷列阵,从而建立起整个结构己知量-------总节点载荷与整个物体未知量-------总节点位移的关系。

解有限元方程和辅助计算:引入强制边界条件,解方程得到节点位移。

一般整体方程组往往数目庞大,可能是几十个、几百个,以至于成千上万个。

对于这些方程组需要一定的计算数学方法解出其未知量。

然后,根据实际问题进行必要的辅助计算。

完整的有限元的求解过程如下图所示:二:有限元的数学方法从更广泛的观点看,有限元法的数学基础是变分原理。

根据变分原理发展而来的有限元法,在求解微分方程方面得到了广泛的应用。

变分原理是表达物理基础定律的一种普遍形式,其表达课概括如下:给出一个依赖物理状态v 的变量()J v ,同时给出()J v 的容许函数集v ,即一切可能的物理状态,则真是的状态是v 中使()J v 达到极小值的函数。

有限单元法的基本概念和理论基础

有限单元法的基本概念和理论基础
有限元法是通过和原问题数学模型(基本方程、边界条件)等效的变分原理或加权余量法,建立求解基本未知量(场函数的结点值)的代数方程组或微分方程组。此方程组称为有限元求解方程,并表示成规范的矩阵形式。接着用数值方法求解此方程,从而得到问题的解答。 <<结构分析中的有限单元法>> By Xiaojun Wang
可以证明,如果弹性体内任一点,已知这三个垂直方向的正应变及其相应的三个剪应变,则该点任意方向的正应变和任意二垂直线间的剪应变均可求出,当然也可求出它的最大和最小正应变。因此,这六个量可以完全确定该点的应变分量,它们就称为该点的应变分量。六个应变分量的总体,可以用一个列向量来表示:
1
2
应变分量向量
<<结构分析中的有限单元法>> By Xiaojun Wang
01
02
03
04
<<结构分析中的有限单元法>> By Xiaojun Wang
考察了体素在XOY一个平面内的变形情况,可得
考察体素在XOZ和YOZ平面内的变形情况,可得:
联立得到几何方程,表明应变分量与位移分量之间的关系。
应变分量与位移分量的关系来自<<结构分析中的有限单元法>> By Xiaojun Wang
简化得
剪应力互等
应力
<<结构分析中的有限单元法>> By Xiaojun Wang
考虑微元体各个面上的法向应力和剪应力与其体力平衡,注意应力从一个面到对面是变化的,即有增量,将作用于微元体各个方向的力求和,略去高阶项,可得平衡方程:
平衡微分方程
可以证明:如果 这六个量在P点是已知的,就可以求得经过该点的任何面上的正应力和剪应力,因此,这六个量可以完全确定该点的应力状态,它们就称为在该点的应力分量。

有限元知识点总结

有限元知识点总结
答:常应变三角形单元:形函数只与节点坐标有关;单元应变分量均为常量;
收敛性:位移函数含单元常量应变;反应单元刚体位移;单元内部位移连续;相邻公共边界连续协调。
四节点矩形单元:位移函数满足收敛性条件,为协调单元;较常应变单元有更高的计算精度。
六节点三角形单元:比常应变三角形单元精度高
30、 非节点载荷等效的基本原则是什么?
答:能量等效原则和圣维南原理。
31、 试计算三节点三角形边界上不同线性分布载荷的等效节点载荷。(参考教材P58面)
答:1.均质材料单元所受体力等效,只需将单元外载荷均匀等分至各个节点即可
2.边界受均匀分布力等效,只需将单元边界上的分布载荷之和平均分配至受力的连个节点
3.边界受三角形分布面力等效,总力ql/2,分布力ql/6;ql/3
23、 何为单元的协调性和完备性条件?为什么要满足这些条件?平面问题三节点三角形单元是如何满足这些条件?矩形四节点单元是否满足?
答:完备性准则:如果在能量泛函中所出现的位移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函数至少是m阶的完全多项式。
24、 何为协调单元?何为非协调单元?为什么有时非协调单元的计算精度还高于协调单元?
答:1.位移函数应包含刚体位移
2.位移函数应能反映单元的常应变状态
3.位移函数在单元内要连续,在单元边界上要协调。
19、 位移函数构造为何按Pascal三角形进行?为什么?
答:选取多项式具有坐标的对称性,保证单元的位移分布不会因为人为选取的方位坐标不同而变化。
20、 如何理解有限元解的下限性?简要说明。
11、 以平面微元体为例,考虑弹性力学基本假设,推导微分平衡方程。
12、 常见的弹性力学问题解法有哪几类?各有何特点或局限?简述求解思路?

有限元法

有限元法

宏观尺度材料设计

有限元方法
MSC.MARC 简介
MSC.MARC是功能齐全的高级非线性有限元软 件,具有极强的结构分析能力。可以处理各种线性和非 线性结构分析包括:线性/非线性静力分析、模态分析、 简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分 析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析 等。为满足工业界和学术界的各种需求,提供了层次丰 富、适应性强、能够在多种硬件平台上运行的系列产品。


宏观尺度材料设计
分析单元的力学性质
有限元方法
根据 单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、
位置及其含义等,找出单元节点力和节点位移的
关系式,这是单元分析中的关键一步。此时需要 应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力 和位移的方程式,从而导出单元刚 度矩阵,这是 有限元法的基本步骤之一。
宏观尺度材料设计
选择位移模式

有限元方法
位移法:选择节点位移作为基本未 知量称为位移法; 力 法:选择节点力作为基本未 知量时称为力法; 混合法:取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未 知量时称为混合法。
位移法易于实现计算自动化,所以,在有限单元法
中位移法应用范围最广。
宏观尺度材料设计

非线性的数值计算是很复杂的,很难为一般工程技术人 员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力 和投资开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解 非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践。
宏观尺度材料设计


有限元方法
增强可视化的前置建模和后置数据处理功能
随着数值分析方法的逐步完善,尤其是计算机运算速度 的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越 少,而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。 在现在的工程工作站上,求解一个包含10万个方程 的有限元模型只需要用几十分钟。工程师在分析计算一 个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果 分析上。

有限元法

有限元法

{F}(e) = ⎪⎩⎪⎨⎧FFij((ee)) ⎪⎭⎪⎬⎫—为单元节点力向量(列阵);
34
{Φ}(e)
=
⎪⎧Φ ⎪⎩⎨Φ
(e) i
(e) j
⎪⎫ ⎪⎭⎬
——为单元节点位移向量
(列阵),也为单元自由度列阵;
将单元刚度矩阵改写成矩阵的标准形式, 则
⎡ EA
[K ](e)
=
⎢ ⎢ ⎢−
L EA
⎣L
− EA L
所谓离散化就是将一个连续体分割成若干个 通过节点相连的单元,这样一个有无限个自由度 的结构就变换成一个具有有限个自由度的近似结 构。该过程还包括对单元和节点进行编码以及局 部坐标系和整体坐标系的确定。
10
物理系统举例
载荷
载荷
11
有限元法的基本思想 (1)假想把连续系统分割成数目有限的单元,单元之
的转移矩阵,其关系式为 {F}= {K}{Φ},这就是总
体平衡方程;
22
确定总体刚度矩阵[K]的办法 1)直接利用总体刚度系数的定义
在求出整体结构中各节点力与节点位移关系的 基础上获得总体刚度矩阵。此方法只在简单情况下 才能采用。 2)集成法
将整体坐标下的单元刚度矩阵进行迭加而得。 这里所说的迭加不是简单的相加,而是将下角标相 同的刚度系数相加,然后按总码的顺序对号入座。
A(2) = 1×10−4 m2, E (1) = E (2) = 1.96 ×105 MPa,
L(1) = L(2) = 0.1m
29
A(1) E(1)
A(2) E(2)
1①
2
②3
F3
L(1)
L(2)
Φ1
Φ2
Φ3
F1

有限元方法的求解步骤

有限元方法的求解步骤

有限元方法的求解步骤引言有限元方法是一种数值分析技术,用于求解连续介质力学问题。

它的基本思想是将复杂的物理问题离散化为简单的几何单元,并在每个单元上建立适当的数学模型。

通过在整个域内组装这些单元,最终得到整个系统的近似解。

本文将详细介绍有限元方法的求解步骤,包括问题建模、网格划分、单元模型与刚度矩阵计算、边界条件处理和求解方程等内容。

问题建模在使用有限元方法求解实际问题之前,首先需要对问题进行建模。

这涉及确定问题的几何形状、边界条件和材料属性等方面。

通常可以使用偏微分方程来描述力学行为,并根据具体情况选择适当的方程类型。

网格划分网格划分是有限元方法中非常重要的一步,它将连续域离散化为有限多个几何单元。

常用的网格类型包括三角形网格和四边形网格。

根据具体情况,可以选择不同密度和形状的网格来逼近真实几何形状。

单元模型与刚度矩阵计算在每个几何单元上,需要建立适当的数学模型来描述物理行为。

通常使用一些基本假设和理论模型来近似真实行为。

对于弹性力学问题,常用的单元模型包括线性弹性、非线性弹性和塑性等。

根据单元模型,可以计算每个单元的刚度矩阵。

刚度矩阵描述了单元内部各个节点之间的相互作用关系。

它是由材料属性和几何形状决定的,并且可以通过数值积分等方法进行计算。

边界条件处理边界条件是求解过程中必须考虑的重要因素。

它们描述了系统在边界上的约束条件,例如固定边界、施加力或位移等。

在有限元方法中,通常将边界条件转化为所谓的约束方程,以便将其应用于整个系统。

对于固定边界条件,可以直接将相应自由度设置为零。

而施加力或位移边界条件,则需要将其转化为等效荷载或约束方程,并在求解过程中进行处理。

求解方程有限元方法最终目标是求解整个系统的近似解。

为此,需要将所有单元的刚度矩阵组装成整个系统的刚度矩阵。

同时,需要将所有边界条件应用于约束方程中。

通过求解线性方程组,可以得到系统的节点位移。

常用的求解方法包括直接法和迭代法。

在实际计算中,可以根据问题特点选择最适合的方法。

有限元方法-第五章--平面三角形单元

有限元方法-第五章--平面三角形单元

D
E
1 2
1
0
对 1 0

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

有限元法基本原理

有限元法基本原理

有限元法基本原理
有限元法是最先应用于航空工程结构的矩阵分析方法,主要用来解决复杂结构中力与位移的关系。

有限元法的基本思想:将具有无限个自由度的连续的求解区域离散为具有有限个自由度、且按一定方式(节点)相互连接在一起的离散体(单元),即将连续体假想划分为数目有限的离散单元,而单元之间只在数目有限的指定点处相互联结,用离散单元的集合体代替原来的连续体。

一般情况下,有限元方程是一组以节点位移为未知量的线性方程组,解次方程组可得到连续体上有限个节点上的位移,进而可求得各单元上的应力分布规律。

有限元方法求解问题主要分为以下几步:(1)结构的离散化
将已连续体线性沦为单元组合体;(2)挑选加速度模式
即假定单元中位移分布是坐标的某种函数,位移模式一般选为多项式的函数;
(3)单元力学特性分析
利用弹性力学的平衡方程、几何方程、物理方程和虚功原理得到单元节点力和节点位移之间的力学关系,即建立单元刚度矩阵;
(4)排序耦合节点力根据机械功成正比原则,用耦合节点Courtomer替代所有促进作用于单元边界或单元内部的载荷;
(5)建立整个结构的所有节点载荷与节点位移之间的关系(整体结构平衡方程),即建立结构的的总体刚度矩阵;
(6)边界条件
排除结构发生整体刚性位移的可能性。

(7)求解线性方程组
方程组存有唯一求解,即为获得结构中各节点的加速度,单元内部加速度通过插值获得。

(8)后处理与计算结果评价。

(计算物理学)第10章有限元方法

(计算物理学)第10章有限元方法
02
使用数值方法求解线性方程组,得到每个节点的物 理量值。
03
求解线性方程组是有限元方法的核心步骤,其结果 的精度和稳定性对整个计算过程至关重要。
04
有限元方法的实现与应用
有限元分析软件介绍
COMSOL Multiphysics
COMSOL是一款强大的有限元分析软件, 支持多物理场模拟,包括电磁场、流体动力 学、化学反应等。
求解方程
通过有限元方法求解微分方程, 得到每个有限元的位移、应力 等结果。
建立模型
根据实际问题建立数学模型, 包括几何形状、材料属性、边 界条件等。
施加载荷和约束
根据实际情况,对有限元施加 适当的载荷和约束条件。
结果后处理
对求解结果进行后处理,包括 绘制云图、生成动画等。
有限元方法的应用领域
01
02
案例二:机械零件的应力分析
总结词
机械零件的应力分布和最大承受载荷是设计 时必须考虑的重要因素,有限元方法能够精 确模拟零件在不同工况下的应力状态。
详细描述
利用有限元方法,可以建立机械零件的模型 并模拟其在工作过程中所承受的应力分布。 这种方法能够预测零件在不同工况下的最大 承受载荷,为设计优化提供依据,提高零件
03
结构分析
用于分析结构的应力、应 变、位移等,广泛应用于 航空航天、汽车、土木工 程等领域。
流体动力学
用于分析流体动力学问题, 如流体流动、传热等,广 泛应用于能源、环境等领 域。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电磁场分析
用于分析电磁场问题,如 电磁波传播、电磁感应等, 广泛应用于通信、雷达、 电子设备等领域。
05
有限元方法的优缺点与改进 方向
03

有限元的基本原理

有限元的基本原理

有限元的基本原理
有限元法的基本原理是建立在表示实际连续体的离散模型的基础上。

该方法的基本思想是将实际连续体分割为有限个较小的、称为有
限元的部分,每个有限元都被认为是相互独立的,而受到软件模型所
描述的一组约束。

有限元法模型求解是通过将所有有限元在一定环境
下的相互作用来描述整个物体。

这些有限元之间相对于解析方法更接
近实际情况,所以解法能够更加精确地检验计算结果。

有限元法的步骤如下:
1. 选定有限元的类型和形状,不同的有限元类型适用于不同的计
算问题。

2. 将整个实际物体离散成为多个有限元,每个元内部的参数、如
位移分布、应变场等等,是用一定的方程求解的。

3. 去掉有限元间间隔,并构造出一个总体联立方程。

4. 利用边界条件得出相应“挤压”量,完成总体应力分布的过程。

5. 通过这些有限元联立方程组,算出整个物体所有部位的应力、
位移和应变,从而得到整个物体的状态分布。

有限元法能以极大程度上模拟多结构系统间的相互作用和这些作
用对物体性质的影响,如形变,热度和应力。

这个方法可被应用广泛,包括航空航天、汽车制造、能源以及生命科学等等。

有限元法计算磁链

有限元法计算磁链

有限元法计算磁链
有限元法是一种数值计算方法,可以用于计算磁链。

磁链是指磁场线圈中沿着一条路径的磁通量。

在电机、变压器等电磁设备中,磁链的计算非常重要。

有限元法的基本思想是将一个连续的物理系统划分成有限个小
元素,并在每个小元素内建立适当的数学模型,然后通过计算每个小元素内的物理量,得到整个物理系统的性质。

对于磁场计算,可以将磁场区域分成许多小元素,每个小元素内的磁场分布可以用一个数学模型来描述。

使用有限元法计算磁链的过程可以分为以下几步:
1. 确定磁场区域的几何形状和材料特性,例如导体、铁心等。

2. 将磁场区域离散化为有限个小元素,每个小元素内的磁场分
布可以用一个数学模型来描述。

3. 建立数学模型,计算每个小元素内的磁场分布。

4. 将所有小元素的磁场分布拼接起来,得到整个磁场区域内的
磁场分布。

5. 计算磁链,即计算磁场线圈中沿着一条路径的磁通量。

使用有限元法计算磁链的精度和计算速度都比较高,可以为电机、变压器等电磁设备的设计和优化提供重要的参考。

- 1 -。

有限元法的基本思想及计算步骤

有限元法的基本思想及计算步骤

用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多,其中最主要的计算步骤为: 1)连续体离散化。首先,应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见 的单元有:杆单元,梁单元,三角形单元,矩形单元,四边形单元,曲边四边形单元,四面体单 元,六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次,进行单元划分,单元划分完毕后,要将全部单 元和结点按一定顺序编号,每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上,并在位移受约 束的结点上根据实际情况设置约束条件。 2)单元分析。所谓单元分析,就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。现以三 角形单元为例说明单元分析的过程。如图1所示,三角形有三个结点i,j,m。在平面问题中每个 结点有两个位移分量u,v和两个结点力分量Fx,Fy。三个结点共六个结点位移分量可用列阵(δ)e 表示: ,δ-e=*ui vi uj vj um vm+T 同样,可把作用于结点处的六个结点力用列阵{F}e表示: {F}e=[Fix Fiy Fjx Fjy Fmx Fmy]T 应用弹性力学理论和虚功原理可得出结点位移与结点力之间的关系 ,F-e=*k+e,δ-e (1)式中 [k]e——单元刚度矩阵。
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有限元法的基本思想及计算步骤
有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体,简称离散 化。这些单元仅在顶角处相互联接,称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性 体的区别在于:组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种 联接要满足变形协调条件,即不能出现裂缝,也不允许发生重叠。显然,单元之间只能 通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力,作用在结点上的荷载称为结 点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时,组成它的各个单元也将发生变形,因而各 个结点要产生不同程度的位移,这种位移称为结点位移。在有限元中,常以结点位移作 为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想,假设一个简单的函数近似地表示单 元内位移的分布规律,再利用力学理论中的变分原理或其他方法,建立结点力与位移之 间的力学特性关系,得到一组以结点位移为未知量的代数方程,从而求解结点的位移分 量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然,如果单元满足问题的收敛性 要求,那么随着缩小单元的尺寸,增加求解区域内单元的数目,解的近似程度将不断改 进,近似解最终将收敛于精确解。

有限元基本理论

有限元基本理论

一、有限单元法的基本思想(1)将一个连续域化为有限个单元并通过有限个结点相连接的等效集合体。

由于单元能按照不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模型化几何形状复杂的求解域。

(2)有限元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场数。

单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。

(3)一个问题的有限元分析中,未知场函数在各个结点上的数值就成为新的未知量,从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

(4)一经求解出这些未知量,就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值,从而得到整个求解域上的近似解。

显然,随着单元数目的增加,也即单元尺寸的缩小,或者随着单元自由度的增加以及插值函数精度的提高,解的近似程度将不断改进,如果单元是满足收敛要求的,近似解最后将收敛于精确解。

图1 有限元分析流程图二、有限元分析过程概述1 结构的离散化结构的离散化是有限单元法分析的第一步,它是有限单元法的基本概念。

所谓离散化简单地说,就是将要分析的结构物分割成有限个单元体,并在单元体的指定点设置结点,使相邻单元的有关参数具有一定的连续性,并构成一个单元的集合体,以它代替原来的结构。

如果分析的对象是桁架,那么这种划分十分明显,可以取每根杆件作为一个单元,因为桁架本来是由杆件组成的。

但是如果分析的对象是连续体,那么为了有效地逼近实际的连续体,就需要考虑选择单元的形状和分割方案以及确定单元和结点的数目等问题。

2 选择位移模式在完成结构的离散之后,就可以对典型单元进行特性分析。

此时,为了能用结点位移表示单元体的位移、应变和应力,在分析连续体问题时,必须对单元中位移的分布作出一定的假设,也就是假定位移是坐标的某种简单的函数,这种函数称为位移模式或插值函数。

选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。

通常选择多项式作为位移模式。

其原因是因为多项式的数学运算(微分和积分)比较方便,并且由于所有光滑函数的局部,都可以用多项式逼近。

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有限元法的基本思想及计算步骤
有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体,简称离散化。

这些单元仅在顶角处相互联接,称这些联接点为结点。

离散化的组合体与真实弹性体的区别在于:组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。

但是这种联接要满足变形协调条件,即不能出现裂缝,也不允许发生重叠。

显然,单元之间只能通过结点来传递内力。

通过结点来传递的内力称为结点力,作用在结点上的荷载称为结点荷载。

当连续体受到外力作用发生变形时,组成它的各个单元也将发生变形,因而各个结点要产生不同程度的位移,这种位移称为结点位移。

在有限元中,常以结点位移作为基本未知量。

并对每个单元根据分块近似的思想,假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律,再利用力学理论中的变分原理或其他方法,建立结点力与位移之间的力学特性关系,得到一组以结点位移为未知量的代数方程,从而求解结点的位移分量。

然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。

显然,如果单元满足问题的收敛性要求,那么随着缩小单元的尺寸,增加求解区域内单元的数目,解的近似程度将不断改进,近似解最终将收敛于精确解。

用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多,其中最主要的计算步骤为:
1)连续体离散化。

首先,应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。

常见的单元有:杆单元,梁单元,三角形单元,矩形单元,四边形单元,曲边四边形单元,四面体单元,六面体单元以及曲面六面体单元等等。

其次,进行单元划分,单元划分完毕后,要将全部单元和结点按一定顺序编号,每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上,并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。

2)单元分析。

所谓单元分析,就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。

现以三角形单元为例说明单元分析的过程。

如图1所示,三角形有三个结点i,j,m。

在平面问题中每个结点有两个位移分量u,v和两个结点力分量F x,F y。

三个结点共六个结点位移分量可用列阵(δ)e表示:
{δ}e=[u i v i u j v j u m v m]T
同样,可把作用于结点处的六个结点力用列阵{F}e表示:
{F}e=[F ix F iy F jx F jy F mx F my]T
应用弹性力学理论和虚功原理可得出结点位移与结点力之间的关系
{F}e=[k]e{δ}e
(1)式中[k]e——单元刚度矩阵。

3)整体分析。

整体分析是对各个单元组成的整体进行分析。

它的目的是要建立起一个线性方程组,来揭示结点外荷载与结点位移的关系,从而用来求解结点位移。

有了式(1),就可用结点的力平衡和结点变形协调条件来建立整个连续体的结点力和结点位移的关系式,即
[K]{δ}={R}
(2)式中[K]——整体刚度矩阵;
{δ}——全部结点位移组成的列阵;
{R}——全部结点荷载组成的列阵。

在这个方程中只有{δ}是未知的,求解该线性方程组就可得到各结点的位移。

将结点位移代入相应方程中可求出单元的应力分量。

用有限元法不仅可以求结构体的位移和应力,还可以对结构体进行稳定性分析和动力分析。

例如,结构体的整体动力方程
[M]{δ}+[C]{δ}+[K]{δ}={F}
式中[M]——整体质量矩阵;
[C]——整体阻尼矩阵;
[K]——整体刚度矩阵;
{δ}——整体结点位移向量;
{F}——整体结点荷载向量。

求出结构的自激振动频率、振型等动力响应,以及动变形和动应力等。

另一方面,在处理大型结构分析中(如飞机、桥梁等),普遍采用子结构法、p型或h型有限元模型以及边界元法,从而提高了计算速度,降低了计算工作量。

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