有限元法的分析过程
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。
有限元的分析过程(第三章)22
c ( x [ x , x ])
n i i i 0 L
2-1
0 L 1 2 3
其中 ( x [ x , x ]) 为所采用的基底函数，它定义在全域 [ x , x ]上， c , c , c ...
i 0 L
为展开的系数。 第二种是基于子域 [ x , x ] 上的分段展开形式，若采用线性函数,有
上式中的
为节点位移，
为节点力，可以看出，图2-9
分别就单元①、②、③写出了各自的节点力，如对于节点2，即写出了单元①中节 点力 ，又给出了单元②中节点2的节点力 可以看出，在单元组装后，实
3有限元分析的基本流程：
际上只需要合成后的节点力； 因此，今后只需要对各个单元的刚度系数按对应节点位移的位置进行组装，
【典型例题】2.1(1) 一个一维函数的两种展开方式的比较
设有一个一维函数 f ( x), x [ x , x ] ，分析它的展开与逼近形式。
0 L
解答：首先考虑基于全域的展开形式，如采用傅立叶级数展开，则有:
f ( x) c ( x [ x , x ]) c ( x [ x , x ]) ...
4有限元分析的特点：
有限元分析的最大特点就是标准化和规范化，这种特点使
得大规模分析和计算成为可能，当采用了现代化的计算机以及 所编制的软件作为实现平台时，则复杂工程问题的大规模分析 就变为了现实。 实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元，这就需 要我们构建起各种各样的具有代表性的单元，一旦有了这些单 元，就好像建筑施工中有了一些标准的预制构件(如梁、楼板
综合分段函数描述的优势和问题，只要采用功能完善 的软件以及能够进行高速处理的计算机，就可以完全发挥 “化繁为简”策略的优势，有限元分析的概念就在于此。
第三讲 有限元分析过程及例题讲解
→
Q2
Ke 23
→
K25
注意要用累加运算！
K25
=
K25
+
Ke 23
累加前总刚要清零！
长安大学汽车学院车辆工程系 王童
⎡ K11 K12
⎢ ⎢
K21
K22
⎢ K31 K32
⎢ ⎢
K41
K42
⎢ ⎢ ⎢
K51 K61
K52 K62
⎢ ⎢ ⎣
K71 K81
K72 K82
Tel：17792594186
K13 K14 K15 K16 K17 K18 ⎤
Ve
Ve
Ve
令： {Pbe}= ∫∫∫ [N ]T {Fb}⋅ dV 称单元等效体力载荷向量 Ve
{ } { } 单元体力虚功可以表示为： Wbe = Qe T Pbe
2）表面力虚功
W
e s
=
∫∫
{u}T {Fs }⋅ dA
=
∫∫
{Q e }T
[N ]T {Fs }⋅ dA
=
{Q e }T
∫∫
[N
]T {Fs }⋅ dA
y
Q6
③
Q5
3
4
Q7
①
Q2
②
④
Q4
1
Q1
2
Q3
x
长安大学汽车学院车辆工程系 王童 Tel：17792594186 Email：wangtong@
以单元①为例
①
Qe 2
Qe 1
Qe 4
Qe 3
⎧Q1e → Q1
局部自由度与整体自由 度的对应关系为
⎪⎪⎪⎨QQ32ee
→ →
有限元法的分析过程
有限元法的分析过程有限元法是一种数值分析方法，用于求解实际问题的物理场或结构的数学模型。
它将连续的实体分割成离散的小单元，通过建立节点和单元之间的关系，对物理问题进行逼近和求解。
以下是一般的有限元法分析过程。
1.问题建模和离散化在有限元分析中，首先需要对实际问题进行建模，确定物理场或结构的几何形状和边界条件。
然后，将几何形状分割成一系列小单元，例如三角形、四边形或四面体等。
2.网格生成根据问题的几何形状和离散化方式，生成网格。
网格是由一系列节点和单元组成的结构，节点用于描述问题的几何形状，单元用于划分问题域。
通常，节点和单元的位置和数量会直接影响有限元法的精度和计算效率。
3.插值函数和基函数的选择有限元法中的节点通常表示问题域中的几何点，而节点之间的关系由插值函数或基函数来描述。
插值函数用于建立节点和单元之间的关系，基函数用于对物理场进行逼近。
选择适当的插值函数和基函数是有限元法分析的关键。
4.定义系统参数和边界条件确定相关物理参数和材料性质，并将其转化为数值形式。
在有限元分析中，还需要定义边界条件，包括约束条件和加载条件。
5.定义数学模型和方程根据问题的物理场或结构和所选择的基函数，建立数学模型和方程。
有限元方法可以用来建立线性方程、非线性方程、静态问题、动态问题等。
具体建立数学模型和方程的过程需要根据问题的特点进行。
6.组装刚度矩阵和力载荷向量根据离散化的节点和单元，组装刚度矩阵和力载荷向量。
刚度矩阵描述节点之间的刚度关系，力载荷向量描述外部加载的作用力。
7.求解代数方程通过求解代数方程，确定节点的位移或物理场的数值解。
通常，使用迭代方法或直接求解线性方程组的方法来求解。
8.后处理和分析得到数值解后，可以进行后处理和分析。
包括计算节点和单元的应变、应力等物理量，进行矫正和验证计算结果的正确性。
还可以通过有限元法的网格适应性来优化问题的计算效率和精度。
以上是一般的有限元法分析过程，具体的步骤和方法可能会因不同的问题而有所不同。
有限元法分析过程
有限元法分析过程有限元法分析过程大体可分为：前处理、分析、后处理三大步骤。
对实际的连续体经过离散化后就建立了有限元分析模型，这一过程是有限元的前处理过程。
在这一阶段，要构造计算对象的几何模型，要划分有限元网格，要生成有限元分析的输入数据，这一步是有限元分析的关键。
有限元分析过程主要包括：单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求解约束方程等过程。
这一过程是有限元分析的核心部分，有限元理论主要体现在这一过程中。
有限元法包括三类：有限元位移法、有限元力法、有限元混合法。
在有限元位移法中，选节点位移作为基本未知量；在有限元力法中，选节点力作为未知量；在有限元混合法中，选一部分基本未知量为节点位移，另一部分基本未知量为节点力。
有限元位移法计算过程的系统性、规律性强，特别适宜于编程求解。
一般除板壳问题的有限元应用一定量的混合法外，其余全部采用有限元位移法。
因此，一般不做特别声明，有限元法指的是有限元位移法。
有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理、编辑组织和图形表示三个方面。
它可以把有限元分析得到的数据，进一步转换为设计人员直接需要的信息，如应力分布状态、结构变形状态等，并且绘成直观的图形，从而帮助设计人员迅速的评价和校核设计方案。
附：FELAC 2.0软件简介FELAC 2.0采用自定义的有限元语言作为脚本代码语言，它可以使用户以一种类似于数学公式书写和推导的方式，非常自然和简单的表达待解问题的微分方程表达式和算法表达式，并由生成器解释产生完整的并行有限元计算C程序。
FELAC 2.0的目标是通过输入微分方程表达式和算法之后，就可以得到所有有限元计算的程序代码，包含串行程序和并行程序。
该系统采用一种语言(有限元语言)和四种技术(对象技术、组件技术、公式库技术生成器技术)开发而成。
并且基于FELAC 1.0的用户界面，新版本扩充了工作目录中右键编译功能、命令终端输入功能，并且丰富了文本编辑功能，改善了用户的视觉体验，方便用户快速便捷的对脚本或程序进行编辑、编译与调试。
有限元法的步骤
有限元法的步骤
有限元法呢，第一步就是结构离散化。
这就像是把一个大蛋糕切成好多小块块一样。
把要分析的结构按照一定的规则划分成好多小单元，这些小单元就像是一个个小积木块。
比如说一个复杂的机械零件或者一个大大的建筑结构，通过这个离散化，就变成了好多小单元的组合，这样就方便咱后面进行分析啦。
接下来就是单元分析喽。
每个小单元都有自己的特性，就像每个小积木块都有自己的形状和特点。
要确定每个单元的节点位移和节点力之间的关系，这个关系可重要啦，就像是小积木块之间怎么连接、怎么受力的规则一样。
要用到好多数学知识去计算呢，不过别怕，现在有好多软件可以帮忙做这些复杂的计算啦。
再然后就是整体分析。
把所有的小单元组合起来看，就像把小积木块搭成一个大城堡那样。
要考虑各个单元之间的连接和相互作用，形成一个整体的平衡方程。
这个方程就像是城堡的建筑蓝图，告诉我们整个结构在受力的时候是怎么个情况。
还有等效节点载荷的计算。
这一步就像是给搭好的城堡加上各种重量或者外力一样。
要把实际作用在结构上的载荷等效地分配到各个节点上，这样才能准确地模拟结构在实际工作中的受力状态。
最后呢，求解未知节点的位移和应力啥的。
这就像是知道了城堡在各种外力下每个小积木块的位置变化和受力情况。
通过解前面得到的方程，就能得到我们想要的结果啦，比如结构会不会变形太大呀，哪个地方的应力最大容易坏呀之类的。
有限元法虽然听起来有点复杂，但是按照这些步骤一步一步来，就能很好地对各种结构进行分析啦。
。
有限元分析步骤
有限元分析步骤
1.拿到设计图纸，看清产品结构，形成一个整体认识，例如，使用了一些什么型材，型材
如何布置。
2.与设计人员及时沟通，了解结构布置有何优缺点，实现什么功能，依据经验初步判断产
品受力情况的特点，做到心中有数。
分析产品的约束与受力情况，弄清约束位置及约束方式；受力位置及受力类型，做好数据准备。
3.分析产品建模中对受力影响不大的零件特征，并进行简化省略。
4.采用最优建模方式，建立有限元几何模型。
5.新建算例。
6.定义材料属性和网格类型。
7.定义约束和载荷。
8.划分有限元网格。
9.运行算例，输出结果。
10.检查边界条件的施加，仔细分析得出结果，有充分理由解释结果出现的原因。
11.与设计人员进行数据沟通，讨论结果。
12.反馈数据，指导产品结构改进。
13.反复验算，得到最优结果。
14.得出最终结论，编写计算报告。
有限元分析过程
有限元分析过程有限元分析过程可以分为以下三个阶段：1.建模阶段：建模阶段是根据结构的实际形状和实际工况，建立有限元分析的计算模型——有限元模型，为有限元数值计算提供必要的输入数据。
有限元建模的中心任务是离散结构。
然而，我们仍然需要处理许多相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、元素特征定义、元素质量检查、编号顺序、模型边界条件定义等。
2.计算阶段:计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。
由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成。
3.后处理阶段:它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。
注：在上述三个阶段中，有限元模型的建立是整个有限元分析过程的关键。
首先，有限元模型为计算提供了所有原始数据，这些输入数据的误差将直接决定计算结果的准确性；其次，有限元模型的形式对计算过程有很大影响。
合理的模型不仅可以保证计算结构的准确性，而且可以避免计算量过大和对计算机存储容量要求过高；第三，由于结构形状和工作条件的复杂性，不容易建立实用的有限元模型。
需要综合考虑多种因素，对分析人员提出了更高的要求；最后，建模时间在整个分析过程中占相当大的比例，约占整个分析时间的70%。
因此，缩短整个分析周期的关键是注重模型的建立，提高建模速度。
原始数据的计算模型，模型中一般包括以下三类数据：1.节点数据:包括每个节点的编号、坐标值等；2.单元数据：A.组成单元的单元号和节点号；b、单位材料特性，如弹性模量、泊松比、密度等；c、单元的物理特征值，如弹簧单元的刚度系数、单元厚度、曲率半径等；d、一维单元的截面特征值，如截面面积、惯性矩等；e、相关几何数据3.边界条件数据：a.位移约束数据；b.载荷条件数据；c.热边界条件数据；d.其他边界数据.建立有限元模型的一般过程：1分析问题定义在进行有限元分析之前，首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析，只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型。
有限元分析基本步骤
• 截面参数由用另外提供，材料和温度等也另外 提供。
• 对特殊行业，也可建立管单元。
2
• 二维单元
– 分类：面单元和板单元
– 特点：厚度远小于长度和宽度
– 节点连接：节点处铰接，传递平面内的力，不能传递 弯矩
– 形状：三角形或四边形
• 载荷
– 平面单元和板单元只承受平面内的载荷，不能传递力 矩
– 壳单元在节点处固接，可承受垂直于平面的载荷，可 传递任意方向的力并可传递弯矩和扭矩
• 如模块盒底板可建立壳单元
• 厚度尺寸和其他参数另外提供
3
• 三维单元
– 不能简化为二维问题的连续体。节点处铰 接，只传递力不能传递扭矩。单元形状为 六面体、或四面体、五面体。
– 实际问题模型可由多种模型结合。
• 则节点载荷为
{ } [ ] P e = Pxi Pyi Pxj Pyj Pxm Pym T
20
体积力移置
21
l ds
22
23
σ e = Dε e = DBeδ e = S eδ e
{ε}= [B]{δ }e
5． 建立单元刚度矩阵
• 由虚功原理可导出节点力和节点位移的关系。
• 设节点力为
Ui
0
∂Nm
0
∂x
[B]
=
1 2A
0 ∂Ni
∂Ni ∂y ∂Ni
∂x 0 ∂N j
∂N j
∂y ∂N j
∂x 0 ∂Nm
∂Nm ∂y ∂Nm
=
1 2A
b0i ci
0 ci bi
bj 0 cj
0 cj bj
bm 0
0
cm
cm bm
第3章 有限元分析的数学求解原理-三大步骤
U x x y y z z xy xy yz yz zx zx dV
X u Y v Z w dV X u Y v Z w d W
V V
用 * 表示；引起的虚 应变分量用 * 表示
j Vj
Ui
i Vi
0 X
y
¼ 1-9 Í
ui* * vi wi* * * u j ， v* j w*j
x* * y * z * * xy *yz * 18 zx
19
7.间接解法：最小势能原理
20
最小势能原理
W U 0
最小势能原理就是说当一个体系的势能最小时，系统会处于稳定 平衡状态。或者说在所有几何可能位移中，真实位移使得总势能取最小值
0 表明在满足位移边界条件的所有可能位移 最小势能原理： 中，实际发生的位移使弹性体的势能最小。即对于稳定平衡状态，实 际发生的位移使弹性体总势能取极小值。显然，最小势能原理与虚功 原理完全等价。 n m
虚功原理的矩阵表示
在虚位移发生时，外力在虚位移上的虚功是：
* 式中
U i u i* V i v i* W i w i* U j u *j V j v *j W j w *j
* 是 的转置矩阵。
T
*
F
T
同样，在虚位移发生时，在弹性体单位体积内，应力在虚应变上的虚 功是： * * * * * * * T x x y y z z xy xy yz yz zx zx
27
⑴解析法
有限元分析过程
有限元分析过程有限元分析过程可以分为以下三个阶段：1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型——有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。
有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。
但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。
2.计算阶段: 计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。
由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成。
3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。
注意：在上述三个阶段中，建立有限元模型是整个有限分析过程的关键。
首先，有限元模型为计算提供所以原始数据，这些输入数据的误差将直接决定计算结果的精度；其次，有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响，合理的模型既能保证计算结构的精度，又不致使计算量太大和对计算机存储容量的要求太高；再次，由于结构形状和工况条件的复杂性，要建立一个符合实际的有限元模型并非易事，它要考虑的综合因素很多，对分析人员提出了较高的要求；最后，建模所花费的时间在整个分析过程中占有相当大的比重，约占整个分析时间的70%，因此，把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是缩短整个分析周期的关键。
原始数据的计算模型，模型中一般包括以下三类数据：1.节点数据: 包括每个节点的编号、坐标值等；2.单元数据：a.单元编号和组成单元的节点编号；b.单元材料特性，如弹性模量、泊松比、密度等；c.单元物理特征值，如弹簧单元的刚度系数、单元厚度、曲率半径等；d.一维单元的截面特征值，如截面面积、惯性矩等；e.相关几何数据3.边界条件数据：a.位移约束数据；b.载荷条件数据；c.热边界条件数据；d.其他边界数据.建立有限元模型的一般过程：1.分析问题定义在进行有限元分析之前，首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析，只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型。
工程电磁场数值分析(有限元法)
04
有限元法在工程电磁场中的应用
静电场问题
总结词
有限元法在静电场问题中应用广泛，能够准确模拟和预测静电场 的分布和特性。
详细描述
静电场问题是指电荷在静止状态下产生的电场，有限元法通过将 连续的静电场离散化为有限个单元，对每个单元进行数学建模和 求解，能够得到精确的解。这种方法在电力设备设计、电磁兼容 性分析等领域具有重要应用。
单元分析
对每个单元进行数学建模，包 括建立单元的平衡方程、边界 条件和连接条件等。
整体分析
将所有单元的平衡方程和连接 条件组合起来，形成整体的代 数方程组。
求解代数方程组
通过求解代数方程组得到离散 点的场量值。
有限元法的优势和局限性
02
01
03
优势 可以处理复杂的几何形状和边界条件。 可以处理非线性问题和时变问题。
传统解析方法难以解决复杂电磁场问题，需要采用数值分析方法 进行求解。
有限元法的概述
有限元法是一种基于离散化的数值分 析方法，它将连续的求解域离散为有 限个小的单元，通过求解这些单元的 近似解来逼近原问题的解。
有限元法具有适应性强、精度高、计 算量小等优点，广泛应用于工程电磁 场问题的数值分析。
02
静磁场问题
总结词
有限元法在静磁场问题中同样适用，能够有效地解决磁场分布、磁力线走向等问题。
详细描述
静磁场问题是指恒定磁场，不随时间变化的磁场问题。有限元法通过将磁场离散化为有限个磁偶极子，对每个磁 偶极子进行数学建模和求解，能够得到静磁场的分布和特性。这种方法在电机设计、磁力泵设计等领域具有重要 应用。
有限元法的基本步骤
01
有限元分析过程
有限元分析过程：一，结构离散化1.选择单元类型2.单元划分；二，单元分析1.选择位移函数2.分析单元力学特性；三，整体分析1.集成整体结点载荷向量2.集成整体刚度方程3.引进边界约束条件，解总体刚度方程求出结点位移分量。
位移模式应满足下列收敛性条件：完备性 1.位移模式必须包含单元的常应变状态；2.位移模式必须包含单元的刚体位移；协调性 3.位移模式应尽可能反映位移的连续性。
单元刚度矩阵的性质：1.对称性；2.单元刚度矩阵与单元位置无关；3.奇异性。
总体刚度矩阵的性质：1.稀疏性；2.带状性；3.奇异性与对称性。
由单元刚度方程组集总纲时应满足的原则：1各单元在公共节点上协调地彼此连接，即在公共结点处具有相同的位移2结构的各节点离散出来后应满足平衡条件提高单元精度的方法:1增加结点数即提高位移模式的阶次2建立等参单元进行等参数变换等参数变换、等参数单元、等参单元具有哪些优越性？：1将局部坐标中几何形状的单元转换成总体坐标中几何形状复杂的单元且这种坐标变换和函数插值采用了相同数目的结点数参数和相同的插值函数2采用等参数变换的单元称为等参数单元3优点：可以很方便地用来离散具有复杂性体的结构。
由于等参变换的采用使等参单元特性矩阵的计算仍在单元的规则域内进行，边界条件：位移边界条件和应力边界条件引进位移边界条件的方法：对角元素改一和乘大数弹性力学中求解力学位移的方法：解析法或半解析法、数值法弹性力学的基本方程：平衡方程（静力平衡关系）、几何方程（应变分量与位移间的关系）、物理方程（应力分量与应变分量之间的关系）什么叫结点力和结点载荷？两者有什么不同？为什么应保留结点力的概念？：①结点力：结点对单元的作用力。
结点载荷：包括集中力和将体力、面力按静力等效原则移植到节点形成的等效载荷，原荷载和移植后的荷载在虚位移上的虚功相等②相对于整体结构来说，节点力是内力，结点载荷是外力③节点力的概念在建立单元刚度方程的时候需要用到在薄板弯曲理论中做了哪些假设？解：①板厚方向的挤压变形可忽略不计。
有限元分析过程概要ppt
有限元分析过程概要
4、有限元分析的特点
有限元分析的最大特点就是标准化 规范化 标准化和规范化 标准化 规范化，这种特点使得大规模分 析和计算成为可能，当采用了现代化的计算机以及所编制的软件作为实现 平台时，则复杂工程问题的大规模分析成为可能。 实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元 单元，这就需要我们构建 单元 起各种各样的具有代表性的单元，一旦有了这些单元，就好像建筑施工中 有了一些标准的预制构件(如梁、楼板等)，可以按设计要求搭建出各种各 样的复杂结构，如图2-11所示
同时根据作用力与反作用力的关系，有
，进而有：
有限元分析过程概要
对于等截面杆受拉伸的情况，杆件①、 ②的应力分别为：
由虎克定律(Hooke law)得杆件①、②的应变分别为：
有限元分析过程概要
杆件①、②的相对伸长量分别为
由于左端A为固定，则该点沿x方向的位移为零，而B点的位移 则为杆件①的伸长量，C点的位移为杆件①和②的总伸长量， 则归纳为以上结果，有完整的解答：
有限元分析过程概要
将节点A、B、C的平衡关系写成一个方程组，有
矩 阵 形 式
(3-1)
有限元分析过程概要
将材料弹性模量和结构尺寸代入方程中，有以下方程
由于左端点为固定，即 解该方程，有
，该方程的未知量为
，求
有限元分析过程概要
下面就很容易求解出杆①和②中的其它力学量，即
可见通过这种方法得到的结果与材料力学方法完全一致
有限元分析过程概要
1、有限元分析的目的和概念 、
(1)位移 位移(displacement):构件中因承载在任意位置上所引起的移动； 位移 (2)应变 应变(strain):构件中因承载在任意位置上所引起的变形状态； 应变 (3)应力 应力(stress):构件中因承载在任意位置上所引起的受力状态； 应力 有限元分析的目的： 有限元分析的目的：针对具有任意复杂几何形状变形体，完整获 取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息，即求取该变形体的 三类力学信息(位移、应变、应力)。从而进行强度(strength)、刚 度(stiffness)等方面的评判，优化设计方案。
有限元分析过程范文
有限元分析过程范文1. 建立几何模型：首先需要根据实际结构的几何形状和尺寸，在计算机上进行建模。
常用的建模软件有AutoCAD、SolidWorks等。
在建模过程中，需要考虑结构的几何复杂性，将结构划分为多个小单元。
2.网格划分：建立几何模型后，需要将结构划分为有限个小单元，即进行网格划分。
常见的划分方法有三角形划分、四边形划分、四面体划分等。
划分的小单元越多，越能精确地反映结构的实际情况，但计算量也会增大。
3.建立有限元模型：在网格划分完成后，需要建立有限元模型。
有限元模型是通过数学方程来描述结构的行为，以便进行数值计算。
一般来说，有限元模型包括节点、单元和边界条件。
节点是划分后的小单元的连接点，单元是连接节点的小单元，边界条件是结构上固定或受力的位置。
4.建立位移和力的关系：在建立有限元模型后，需要建立位移和力之间的关系，即刚度矩阵。
刚度矩阵描述了结构在受力作用下的刚度特性。
刚度矩阵的建立需要根据结构的材料性质、几何形状和边界条件等参数来计算。
5.施加边界条件：在建立刚度矩阵后，需要施加边界条件。
边界条件是指结构上一些固定或受力的位置。
根据实际情况，可以将一些节点固定或施加外力。
6. 求解有限元方程：当建立模型、边界条件和刚度矩阵后，就可以通过求解有限元方程来得到结构的应力和位移等结果。
有限元方程是一个大型线性代数方程组，可以使用一些数值方法进行求解，如高斯消元法、Jacobi迭代法、Gauss-Seidel法等。
7.分析结果和后处理：求解有限元方程后，得到结构的应力、位移等结果。
需要对分析结果进行验证和后处理。
验证分析结果需要与实际情况进行对比，以确定分析结果的准确性。
后处理的目的是对分析结果进行分析和可视化，以便进一步了解结构的行为。
有限元分析可以应用于各种不同类型的结构，如建筑物、桥梁、飞机等。
通过有限元分析，可以更好地了解结构的性能和优化设计。
然而，有限元分析也有其局限性，如精确刻画结构的几何形状、边界条件和材料性质需要更高的精度和计算量，因此需要权衡模型的准确性和计算效率。
有限元分析的基本步骤
一个典型的AN SY S分析过程可分为以下6个步骤：1定义参数2创建几何模型3划分网格4加载数据5求解6结果分析1定义参数1.1指定工程名和分析标题启动ANSYS软件，选择File→ChangeJobname命令选择File→Change Title菜单命令1.2定义单位(2) 设置计算类型ANSYS Main Menu: Prefere nce→Materia l Props →Materia l Models→Structu ral →OK(3) 定义分析类型ANSYS Main Menu: Preproc essor→Loads →Analysi s Type →New Analysi s→STATIC→OK1.3定义单元类型选择MainMenu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令单击[Options]按钮，在[Element behavio r]下拉列表中选择[Plane strs w/thk]选项，单击确定1.4定义单元常数在ANSYS程序主界面中选择MainMenu→Preprocessor→Real Constan ts→Add/Edit/Delete命令单击[Add]按钮，进行下一个[ChooseElement Type]对话框1.5定义材料参数在ANSYS程序主界面，选择MainMenu→Preprocessor→Materia l Props→Materia l Models命令(1)选择对话框右侧S truct ural→Linear→Elastic→Isotropi c命令，并单击[Isotropi c]选项，接着弹出如下所示[LinearIsotropi c Properti es for Materia l Number 1]对话框。
有限元分析原理与步骤
有限元分析原理与步骤
有限元分析是一种数值计算方法，用于解决工程结构的力学问题。
它将任意复杂的结构分割成为若干个简单的子结构，通过数学模型和计算机软件进行力学分析。
有限元分析的步骤如下：
1. 建立几何模型：根据实际结构的几何形状，使用CAD软件
或者手工绘图等方式建立三维或二维模型。
2. 网格划分：将结构模型划分成若干个小单元，如三角形、四边形或六边形等，这些小单元构成了有限元网格。
3. 选择适当的元素类型：根据结构的特性选择合适的元素类型，如杆件元、梁单元、板单元等。
4. 建立整体刚度矩阵：根据每个小单元的几何形状和材料性质，计算每个小单元的刚度矩阵，将其组装成整个结构的刚度矩阵。
5. 施加边界条件：确定结构的边界条件，如固定支座、约束等。
6. 施加荷载：施加力、压力、温度等荷载条件。
7. 求解方程：通过求解结构的刚度方程，得到结构的位移、应力、应变等结果。
8. 后处理结果：根据求解得到的结果，进行结果的可视化及分
析。
通过以上步骤，有限元分析可以提供结构的力学性能分析，如应力、应变、变形等，为工程设计和优化提供参考依据。
有限元分析-详解
C、棱柱铰约束（Slider）
该约束只能施加于虚件之上，仅允许被约束的 对象沿指定放松的轴平移滑动，限制其它五个自由 度。一般施加过程为：单击 按钮，弹出图示对话 框。选择虚件加于Supports 栏，选择使用的坐标系， 并在需要放松的轴线方向输入1。单击确定完成定义。 如针对如图所示接触虚件示例，用加于虚件的取代 施加于Point1 的高级约束，结果相同。
Element Type 决定采用linear 线性直边单元亦或采 用parabolic 抛物线棱边单元，抛物线棱边单元能带 来更好的精度。
此外还可以通过如图所示对话框中的Local 卡片，通 过添加（Add）sage和sag来调整局部网格细密程度 和，带来更合适的分析精度。（注：全局网格划分越 细密或采用抛物线棱边单元同样能提高精度，但同时 计算耗时增加）。
网格和属性还可以通过模型管理工具条 来自行定义。其中：
图标用于给实体Solid 模型定义四面体单元；
图标用于给曲面surface 模型定义三角形单元，如 果用户决定把实体模型当作薄壳模型来处理，也可 以用于实体模型；
图标表示对线框wireframe 几何进行梁单元网格划 分，要求对象是在Generative Shape Design 或 Wireframe and Surface Design 中生成的部件， 或者在Structure Design 环境下生成的梁（不能对 Sketch 对象进行网格划分），且划分出的网格是一 维的。
CATIA有限元分析
有限元分析是实现安全设计的重要部分， 在日常设计工作中也经常得到应用。
一 、零件体有限元分析
零件体有限元分析的一般步骤为：
（1）：建立零件模型并导入分析模块；
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(c)单元结点应与相邻单元结点相连接，不 能置于相邻单元边界上，如图1—3所 (d)同一单元由同一种材料构成． (e)网格划分应尽可能有规律，以利于计算 机自动生成网格． (3)结点编码：整体结点编码和单元结点编 码．
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2．单元分析
单元分析有两个方面的内容： (1)选择位移函数 位移法分析结构首先要求解的是位移场．要 在整个结构建立位移的统一数学表达式往往是 困难的甚至是不可能的．结构离散化成单元的 集合体后，对于单个的单元，可以遵循某些基 本准则，用较之以整体为对象时简单得多的方 法设定一个简单的函数为位移的近似函数，称 为位移函数．
1—3有限单元法分析过程概述
1．结构离散化 结构离散化就是将结构分成有限个小的单元 体，单元与单元、单元与边界之间通过结点连 接．结构的离散化是有限单元法分析的第一步， 关系到计算精度与计算效率，是有限单元法的 基础步骤，包含以下两个方面的内容： (1)单元类型选择 离散化首先要选定单元类型，这包括单元形 状、单元结点数与结点自由度数等三个方面的 内容．基本的单元类型见表1—2．
三个力矩平衡方程只是再次证明剪应力的 互等关系。由三个投影的平衡方程则不 难得到空间问题的三个平衡微分方程
2．几何方程
3物理方程
物理方程表述应力分量与应变分量之间 的关系，对于完全弹性的各向同性体， 它们由广义虎克定律描述为：
l—2 有限单元法的特点
在实际工作中，人们发现，一方面许多力学 问题无法求得解析解答，另一方面许多工程问 题也只需要给出数值解答，于是，数值解法便 应运而生． 力学中的数值解法有两大类型．其一是对微 分方程边值问题直接进行近似数值计算，这一 类型的代表是有限差分法；其二是在与微分方 程边值问题等价的泛函变分形式上进行数值计 算，这一类型的代表是有限单元法．
3．整体分析
整体分析包括以下几方面内容： (1)集成整体结点载荷向量{R} 结构离散化后，单元之间通过结点传递力。 所以有限单元法在结构分析中只采用结点载荷。 所有作用在单元上的集中力、体积力与表面力 都必须静力等效地移置到结点上去，形成等效 结点载荷．最后，将所有结点载荷按照整体结 点编码顺序组集成整体结点载荷向量．
位移函数一般取为多项式形式，有广义坐标法 与插值法两种设定途径，殊途同归，最终都整 理为单元结点位移的插值函数． (2)分析单元的力学特征 (a)单元应变矩阵[B] 单元应变矩阵反映出单元结点位移与单元应 变之间的转换关系，由几何学条件导出． (b) (b)以单元应力矩阵[S] [S] 单元应力矩阵反映出单元结点位移与单元应 力之间的转换关系，由物理学条件导出． (c)记)单元刚度矩阵[K]t 单元刚度矩阵反映出单元结点位移{δ}t别与单 元结点力{F}t之间的转换关系，由平衡条件导出， 所得到的转换关系式称为单元刚度方程
有限差分法的前提条件是建立问题的基本微分 方程，然后将微分方程化为差分方程(代数方程) 求解，这是一种数学上的近似．有限差分法能 处理一些物理机理相当复杂而形状比较规则的 问题，但对于几何形状不规则或者材料不均匀 情况以及复杂边界条件，应用有限差分法就显 得非常困难，因而有限差分法有很大的局限 性．计算结果已成为各类工业产品设计和性能 分析的可靠依据．大型通用有限元分析软件不 断吸取计算方法和计算机技术的最新进展，将 有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合， 己成为解决现代工程学问题必不可少的有力工 具．
在结构分析中，从选择基本未知量的角度来看， 有限单元法列分为三类：位移法、力法和混合 法．其中位移法易于实现计算自动化(力法的单 元插值函数也难以寻求)，在有限单元法中应用 范围最广． 依据单元刚度矩阵的推导方法可将有限单元 法的推理途径分为直接法、变分法、加权残数 法与能量平衡法．
直接法直接进行物理推理，物理概念清楚，易于 理解，但只能用于研究较简单单元61特性． 变分法是有限单元法的主要理论基础之一，涉及 泛函极值问题，既适用于形状简年的单元，也适用 于形状复杂的单元，使有限单元法的应用扩展到类 型更为广泛的工程问题．当给定的问题存在经典变 分叙述时时，这是最方便的方法．当给定问题的经 典变分原理不知道时，须采用更为一般的方法，如 加权残数法或能量平衡法来推导单元刚度矩阵． 加权残数法由问题的基本微分方程出发而不依赖 于泛函．可处理已知基本微分方程去找不到泛函的 问题，如流因锅台问题，从而进一步扩大了有限单 元法的应用范围．
严格地说，弹性力学问题都是所谓空间问题，即弹 性体占有三维空间，在外界因素作用下产生的应力、 应变与位移也是三维的。而且一般都是三个坐标的函 数． 弹性力学分析问题从静力学条件、几何学条件与物 理学条件三方面考虑，分别得到平衡微分方程、几何 方程与物理方程，统称为弹性力学的基本方程． 1．平衡微分方程在物体内的任意一点p，割取一个微 小的平行六面体，它的六面垂直于坐标轴，而棱边的 长度为PA＝dx，PB＝dy，PC＝dz，受力如图2—4所示
(2)集成整体刚度方程[K] 集合所有的单元刚度方程就得到总体刚度方 程 [K] {δ}＝ {R}式中：[K]称为总体刚度矩阵， 直接由单元刚度矩阵组集得到； {δ}为整体结 点位移向量； {R}为整体结点载荷向量． (3)引进边界约束条件，解总体刚度方程求出结点 位移分量(位移法有限元分析的基本未知量)．
第二章 弹性力学基本方程与变分原理
2-1关于外力、应力、形变与位移的定义 1外力 作用于物体的外力可以分为体积力和表面力，两 者也分别简称为体力和面力． 体力指分布在物体体积内的力. 面力指分布在物体表面上的力． 有限单元法分析中也使用集中力这一概念，其正 负号规定同上． 2．应力 物体受了外力的作用，或由于温度有所改变，其 内部将发生内力．
(2)单元划分 划分单元时应注意以下几点： (a)网格的加密 网格划分越细，结点越多，计算结果越精 确．对边界曲折处、应力变化大的区域应加密 网格，集中载荷作用点、分布载荷突变点以及 约束支承点均应布置结点，同时要兼顾机时、 费用与效果．网格加密到一定程度后计算精度 的提高就不明显，对应力应变变化平缓的区域 不必要细分网格． (b)们单元形态应尽可能接近相应的正多边形 或正多面体．如三角形单元三边应尽量接近， 且不出现钝角，如图l—1所示；矩阵单元长宽 不宜相差过大等，如图1—2所示．
有限单元法的基本思想是里兹法加分片近 似．将原结构划分成许多小块，用这些离散单 元的集合体代替原结构，用近似函数表示单元 内的真实场变量，从而给出离散模型的数值 解．由于是分片近似，可采用较简单的函数作 为近似函数，有较好的灵活性、适应性与通用 性．当然有限单元法也有其局限性，如对于应 力集中、裂缝体分析与无限域问题等的分析都 存在缺陷．为此，人们又提出一些半解析方法 如有限条带法与边界元法等
3．形变 所谓形变，就是形状的改变．物体的 形状总可以用它各部分的长度和角度来 表示。因出物体的形变总可以归结为长 度的改变和角度的改变．
4．位移 将物体内任意一点的位移用它在x、y、 z坐标轴上的投影u、v、w来表示，称为 该点的位移分量．以沿坐标轴正方向的 为正，沿坐标轴负方向的为负．
2—2 弹性力学的基本方程与求解