有限元分析基础

• 基于分段的函数描述具有非常明显的优势：(1)可以将原函 数的复杂性“化繁为简”，使得描述和求解成为可能，(2) 所采用的简单函数可以人工选取，因此，可取最简单的线 性函数，或取从低阶到高阶的多项式函数，(3)可以将原始 的微分求解变为线性代数方程。但分段的做法可能会带来 的问题有：(1)因采用了“化繁为简”，所采用简单函数的 描述的能力和效率都较低，(2)由于简单函数的描述能力较 低，必然使用数量众多的分段来进行弥补，因此带来较多 的工作量。 • 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。
• 为什么采用有限元方法就可以针对具有任意复杂 几何形状的结构进行分析，并能够得到准确的结 果呢？这是因为有限元方法是基于“离散逼近” 的基本策略，可以采用较多数量的简单函数的组 合来“近似”代替非常复杂的原函数。 • 一个复杂的函数，可以通过一系列的基底函数的 组合来“近似”，也就是函数逼近，其中有两种 典型的方法：(1)基于全域的展开(如采用傅立叶级 数展开)，以及(2)基于子域的分段函数组合(如采 用分段线性函数的连接)；下面，仅以一个一维函 数的展开为例说明全域逼近与分段逼近的特点。
• 在准确进行力学分析的基础上，设计师就 可以对所设计对象进行强度、刚度等方面 的评判，以便对不合理的设计参数进行修 改，以得到较优化的设计方案；然后，再 次进行方案修改后的有限元分析，以进行 最后的力学评判和校核，确定出最后的设 计方案。 • 图2-1给出一个针对大型液压机机架的设计 过程以及采用有限元分析的状况。
可以将杆单元表达为如图2-7所示的标准形式。
• 可以看出，方程(2-38)是单元内力与外力的 平衡方程，它与单元的刚度方程是相同的。 叫做单元的刚度矩阵， 叫做刚度矩阵中的刚度系数
有限元分析的基本流程
• 例题2.3(1) 三连杆结构的有限元分析过程
• 解答：所谓基于单元的分析方法，就是将原整体结构按几 何形状的变化性质划分节点并进行编号，然后将其分解为 一个个小的构件（即：单元），基于节点位移，建立每一 个单元的节点平衡关系（叫做单元刚度方程），对于杆单 元来说就是式(2-38)；下一步就是将各个单元进行组合和 集成，类似于式(2-31)，以得到该结构的整体平衡方程 （也叫做整体刚度方程），按实际情况对方程中一些节点 位移和节点力给定相应的值（叫做处理边界条件），就可 以求解出所有的节点位移和支反力，最后在得到所有的节 点位移后，就可以计算每一个单元的其它力学参量（如应 变、应力）；下面给出该问题的有限元分析过程。
• 可以看出：方程(2-31)的左端就是杆件①的内力表达和杆 件②的内力表达之和，这样就将原来的基于节点的平衡关 系，变为通过每一个杆件的平衡关系来进行叠加。这里就 自然引入单元的概念，即将原整体结构进行“分段”，以 划分出较小的“构件”，每一个“构件”上具有节点，还 可以基于节点位移写出该“构件”的内力表达关系，这样 的“构件”就叫做单元，它意味着在几何形状上、节点描 述上都有一定普遍性和标准性，只要根据实际情况将单元 表达式中的参数（如材料常数、几何参数）作相应的代换， 它就可以广泛应用于这一类构件(单元)的描述。 • 从式(2-32)和式(2-33)可以看出，虽然它们分别用来描述 杆件①和杆件②的，但它们的表达形式完全相同，因此本 质上是一样，实际上，它们都是杆单元。
一维阶梯杆结构问题的求解
• 一维问题，即1D(one dimension)问题， 是最简单的分析对象，下面就以一个1D阶 梯杆结构为例，详细给出各种方法求解的 过程，直观地引入有限元分析的基本思路， 并以此逐步介绍有限元分析的过程。
• 讨论：1、以上完全按照材料力学的方法，将对象 进行分解来获得问题的解答，它所求解的基本力 学变量是力（或应力），由于以上问题非常简单， 而且是静定问题，所以可以直接求出，但对于静 不定问题，则需要变形协调方程才能求解出应力 变量； (上例是先求力-应力-应变-位移）， 2、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。
20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，设计师需要 对飞机结构进行精确的设计和计算，便逐渐在工程中产生 了的矩阵力学分析方法；1943年，Courant发表了第一篇 使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文； 1956年波音公司的Turner，Clough，Martin和Topp在分 析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度 表达式；1960年Clough在处理平面弹性问题，第一次提 出并使用“有限元方法” 的名称；1955年德国的Argyris 出版了第一本关于结构分析中的能量原理和矩阵方法的书， 为后续的有限元研究奠定了重要的基础，1967年 Zienkiewicz和Cheung出版了第一本有关有限元分析的专 著；1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大 变形问题；
• 例题2.2(2) 1D阶梯杆结构的节点位移求解 及平衡关系 • 所处理的对象与例题2.2(1)相同，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。
解答：考虑图2-3所示杆件的受力状况，分别画出每 个节点的分离受力图，如图2-6所示。
• 式(2-27)的物理含义就是内力与外力的平衡关系，由式(229)可知，内力表现为各个节点上的内力，并且可以通过 节点位移 来获取。 • 由方程(2-23)可知，这是一个基于节点A、B、C描述的全 结构的平衡方程，该方程的特点为： (a)基本的力学参量 为节点位移 和节点力 。 (b)直接给出全结 构的平衡方程，而不是象例题2.2(1)那样，需要针对每一 个杆件去进行递推。(c)在获得节点位移变量 后， 其它力学参量（如应变和应力），都可以分别求出（见式 (2-26)） • 为了将方程(2-23)写成更规范、更通用的形式，用来求解 例题2.2(1)所示结构的更一般的受力状况，下面在式(2-23) 的基础上，直接推导出通用平衡方程。
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、楼板等)，可以按设 计要求搭建出各种各务就是对常用 的各种单元（包括1D、2D、3D问题的单元） 构造出相应的单元刚度矩阵；当然，如果 还采用如例题2.2(2)所示的直接法来进行构 造，会非常烦琐，而采用能量原理（如： 虚功原理或最小势能原理）来建立相应的 平衡关系则比较简单，这种方法可以针对 任何类型的单元进行构建，以得到相应的 刚度矩阵。
有限元分析的作用
• 基于功能完善的有限元分析软件和高性能 的计算机硬件对设计的结构进行详细的力 学分析，以获得尽可能真实的结构受力信 息，就可以在设计阶段对可能出现的各种 问题进行安全评判和设计参数修改，据有 关资料，一个新产品的问题有60％以上可 以在设计阶段消除，甚至有的结构的施工 过程也需要进行精细的设计，要做到这一 点，就需要类似有限元分析这样的分析手 段。
• 有限元分析的最主要内容，就是研究单元， 即首先给出单元的节点位移和节点力，然 后基于单元节点位移与节点力的相互关系 可以直接获得相应的刚度系数，进而得到 单元的刚度方程，实际上就是要得到针对 单元节点的平衡方程，这就是单元的刚度 方程，就可以针对实际的复杂结构，根据 实际的连接关系，将单元组装为整体刚度 方程，这实际上也是得到整体结构的基于 节点位移的整体平衡方程。
• 比较以上两种方式的特点，可以看出，第一种方式所采用 的基本函数 非常复杂，而且是在全域上 定义的，但它是高次连续函数，一般情况下，仅采用几个 基底函数就可以得到较高的逼近精度；而第二种方式所采 用的基本函数 非常简单，而且是在子域上 定义的，它通过各个子域组合出全域 但它是线性 函数，函数的连续性阶次较低，因此需要使用较多的分段 才能得到较好的逼近效果，则计算工作量较大。 • 对于第一种的函数逼近方式，就是力学分析中的经典瑞利 -里兹方法(Rayleigh-Ritz principle)的思想，而针对第二种 的函数逼近方式，就是现代力学分析中的有限元方法的思 想，其中的分段就是“单元”的概念。
有限元分析过程的概要
• 本课题先通过一个简单的实例，采用直接 的推导方法，逐步展示有限元分析的基本 流程，从中可以了解有限元方法的思路形 成过程，以及如何由具体的求解步骤归纳 出一种通用的标准求解方法。
有限元分析的目的和概念
• 任何具有一定使用功能的构件(称为变形体)都是 由满足要求的材料所制造的，在设计阶段，就需 要对该构件在可能的外力作用下的内部状态进行 分析，以便核对所使用材料是否安全可靠，以避 免造成重大安全事故。描述可承力构件的力学信 息一般有三类： (1) 构件中因承载在任意位置上所引起的移动(称 为位移)； (2) 构件中因承载在任意位置上所引起的变形状态 (称为应变)； (3) 构件中因承载在任意位置上所引起的受力状态 (称为应力)；
有限元分析基础
材料10702班
主要内容
• • • • • • • • 1有限元方法的历史 2有限元分析的作用 3有限元分析过程的概要 4有限元分析的目的和概念 5 一维阶梯杆结构问题的求解 6有限元分析的基本流程 7有限元分析的特点 8杆梁结构分析的工程概念
有限元方法的历史
• 有限元方法的思想最早可以追溯到古人的“化整 为零”、“化圆为直”的作法，如“曹冲称象” 的典故，我国古代数学家刘徽采用割圆法来对圆 周长进行计算；这些实际上都体现了离散逼近的 思想，即采用大量的简单小物体来“冲填”出复 杂的大物体。 • 早在1870年，英国科学家Rayleigh就采用假想的 “试函数”来求解复杂的微分方程，1909年Ritz 将其发展成为完善的数值近似方法，为现代有限 元方法打下坚实基础。
• 若该构件为简单形状，且外力分布也比较单一， 如：杆、梁、柱、板就可以采用材料力学的方法， 一般都可以给出解析公式，应用比较方便；但对 于几何形状较为复杂的构件却很难得到准确的结 果，甚至根本得不到结果。 • 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)。
• 随着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法原 理的软件大量出现，并在实际工程中发挥了愈来 愈重要的作用；目前，专业的著名有限元分析软 件公司有几十家，国际上著名的通用有限元分析 软件有ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN， MSC/MARC，ADINA，ALGOR， PRO/MECHANICA，IDEAS，还有一些专门的有 限元分析软件，如LS-DYNA，DEFORM，PAMSTAMP, AUTOFORM，SUPER-FORGE等
下面举出几个涉及土木工程、车辆工程、航空工程 以及生物工程的实例 • 北京奥运场馆的鸟巢由纵横交错的钢铁枝蔓组成， 它是鸟巢设计中最华彩的部分，见图1-2，也是鸟 巢建设中最艰难的。看似轻灵的枝蔓总重达 42000吨，其中，顶盖以及周边悬空部位重量为 14000吨，在施工时，采用了78根支柱进行支撑， 也就是产生了78个受力区域，在钢结构焊接完成 后，需要将其缓慢而又平稳地卸去，让鸟巢变成 完全靠自身结构支撑；因而，支撑塔架的卸载， 实际上就是对整个钢结构的加载，如何卸载？需 要进行非常详细的数值化分析，以确定出最佳的 卸载方案。2006年9月17日成功地完成了整体钢 结构施工的最后卸载。