有限单元法简介课件

2024/6/30有限单元法简介1课时安排 共 40 学时有限元法：32 学时实 验：8 学时2024/6/30有限单元法简介2考试考核成绩构成考试考核成绩构成Institute of Mechanical Engineering and Automationu课程作业成绩和平时表现课程作业成绩和平时表现(10(10)u实验成绩实验成绩(20(20)Ansys)Ansys软件上机实验软件上机实验u期末考试期末考试成绩成绩(70%)(70%)2024/6/30有限单元法简介3课程学习基本要求课程学习基本要求 教材及参考书教材及参考书Institute of Mechanical Engineering and Automation1、李人宪、李人宪.有限单元法基础有限单元法基础(第二版第二版)M.北京北京:国防国防工业出版社工业出版社,2004 2、傅永华、傅永华.有限单元法基础有限单元法基础M.武汉武汉:武汉大学出版武汉大学出版社社,2003 3、王生洪等王生洪等.有限单元法基础及应用有限单元法基础及应用 M.北京北京:国防国防工业出版社工业出版社,1990 4、黄国权黄国权.有限单元法基础及有限单元法基础及ANSYS应用应用 M.北京北京:机械工业出版社机械工业出版社,2004 5、赵经文等赵经文等.结构有限分析结构有限分析 M.北京北京:科学出版社科学出版社,2001 2024/6/30有限单元法简介4学习目的及方法学习目的及方法Institute of Mechanical Engineering and Automationu目的目的l 了解了解FEM数学力学基础；数学力学基础；l 把握把握FEM求解具体问题的基本过程；求解具体问题的基本过程；l 应用应用FEM，特别是运用已有的通用或专用软件，特别是运用已有的通用或专用软件求解实际工程技术问题；求解实际工程技术问题；u方法方法l 注重深入理解注重深入理解FEM思想的建立，数学力学基础思想的建立，数学力学基础;l 运用通用或专用有限元程序进行工程问题分析；运用通用或专用有限元程序进行工程问题分析；一、数值模拟方法概述二、有限单元法简介三、有限单元法分析步骤四、利用有限元软件进行工程分析五、结后语第第 1 章章 有限单元法概述有限单元法概述2024/6/30有限单元法简介6一、数值模拟方法概述 工程技术领域中的许多力学问题和场问题，如固体力学中的位移场、应力场分析；电磁学中的电磁分析、振动特性分析；热力学中的温度场分析；流体力学中的流场分析等，都可以归结为在给定边界条件下求解其控制方程的问题。虽然人们能够得到它们的基本方程和边界条件，但是能够用解析法求解的只是少数性质比较简单和边界比较规则的问题，实际结构的形状和所受到的载荷往往比较复杂，按解析法求解是非常困难的。2024/6/30有限单元法简介7一、数值模拟方法概述 解决这类复杂问题主要有两种方法：1、引入简化假设，使其达到能用解析法求解的状态，然后求其近似解（未必可行，容易导致不正确的解答）2、保留问题的复杂性，利用数值模拟方法求得问题的近似解（较多采用）数值模拟技术（即CAE技术，Computer-aided Engineering）是人们在现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机技术来获得满足工程要求的数值近似解，是现代工程仿真学发展的重要推动力之一。2024/6/30有限单元法简介8一、数值模拟方法概述 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：1、有限单元法FEM（Finite Element Method）2、边界元法 BEM（Boundary Element Method）3、有限差分法FDM（Finite Difference Method）4、离散单元法DEM（Discrete Element Method）其中有限单元法是最具实用性和应用最广泛的。2024/6/30有限单元法简介9一、数值模拟方法概述 数值模拟结合计算机技术形成的应用软件在工程中得到广泛的应用，国际上著名的有限元通用软件有：ANSYS,ABAQUS,MCS.PATRAN,MCS.NASTRAN,MCS.MARC,ADINA,FLAC等 它们大多采用FORTRAN语言编写，不仅包含多种条件下的有限元分析程序，而且带有强大的前处理和后处理程序。大多数有限元通用软件拥有良好的用户界面、使用方便，功能强大。2024/6/30有限单元法简介10FEM求解工程问题思路求解工程问题思路 工程中的问题工程中的问题本构关系本构关系线性的、边界规则的问题线性的、边界规则的问题数值分析法数值分析法精确解精确解近似解近似解非线性的、边界不规则的问题非线性的、边界不规则的问题解析法解析法图图1 1 工程问题的求解思路工程问题的求解思路 FEM犹如万能钥匙，犹如万能钥匙，是解决工程问题的主是解决工程问题的主流数值分析方法流数值分析方法只能解决极少的只能解决极少的方程求解，而且方程求解，而且解答复杂。解答复杂。l工程问题的求解基本过程工程问题的求解基本过程Institute of Mechanical Engineering and Automation二、有限单元法简介2024/6/30有限单元法简介111.有限元法l 定义 是一种工程物理问题的数值分析方法，根据近似分割和能量极值原理，把求解区域离散为有限个单元的组合，研究每个单元的特性，组装各单元，通过变分原理，把问题化成线性代数方程组求解。l 分析指导思想 化整为零，裁弯取直，以简驭繁，变难为易二、有限单元法简介2024/6/30有限单元法简介122.发展简史1943年，Courant提出有限元法概念1956年，Turner和Clough第一次用三角形单元离散飞机机翼，借助有限元法概念研究机翼的强度及刚度1960年，Clough正式提出有限元法（FEM）20世纪60年代，我国数学家冯康把FEM总结成凡是椭圆形偏微分方程都可用FEM求解20世纪60年代以后，由于数学界的参与，FEM得到蓬勃发展，并且扩大了应用二、有限单元法简介2024/6/30有限单元法简介133.发展方向Q新型单元的研究Q有限元的数学理论Q向新领域扩展应用Q大型通用程序的编制和设计 ANSYS,NASTRAN,ABAQUSQ开发微机用版本Q设计自动化及优化设计（CAD,CAE,CAM）二、有限单元法简介2024/6/30有限单元法简介144.有限元法的分类 以方程中未知数代表的意义分类u 有限元位移法：未知数为位移u 有限元力法：未知数为力u 有限元混合法：未知数为力和位移 以推导方法分类u 直接法u 变分法u 加权余数法二、有限单元法简介2024/6/30有限单元法简介15有限单元法的常用术语：二、有限单元法简介真实系统真实系统有限元模型有限元模型 有限元模型有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象是真实系统理想化的数学抽象。定义定义2024/6/30有限单元法简介16自由度（DOFs degree of freedoms）自由度自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性用于描述一个物理场的响应特性。结构结构 DOFs 结构结构 位移位移 热热 温度温度 电电 电位电位 流体流体 压力压力 磁磁 磁位磁位 物理场物理场 自由度自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ2024/6/30有限单元法简介17节点和单元节点节点:空间中的坐标位置，具有一定自由度和空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互存在相互物理作用物理作用。单元单元:一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。面或实体以及二维或三维的单元等种类。有限元模型由一些简单形状的有限元模型由一些简单形状的单元单元组成，单元之间通组成，单元之间通过过节点节点连接，并承受一定连接，并承受一定载荷载荷。载荷载荷载荷载荷2024/6/30有限单元法简介18节点和单元(续)节点自由度是随连接该节点节点自由度是随连接该节点 单元类型单元类型 变化的。变化的。JIIJJKLILKIPOMNKJIL三维杆单元三维杆单元(铰接铰接)UX,UY,UZ三维梁单元三维梁单元二维或轴对称实体单元二维或轴对称实体单元UX,UY三维四边形壳单元三维四边形壳单元UX,UY,UZ,三维实体热单元三维实体热单元TEMPJPOMNKJIL三维实体结构单元三维实体结构单元ROTX,ROTY,ROTZROTX,ROTY,ROTZUX,UY,UZ,UX,UY,UZ2024/6/30有限单元法简介19单元形函数 FEA FEA（Finite element analysisFinite element analysis）仅仅求解节点处）仅仅求解节点处的的DOFDOF值。值。单元单元形函数形函数是一种数学函数，规定了从节点是一种数学函数，规定了从节点DOFDOF值值到单元内所有点处到单元内所有点处DOFDOF值的计算方法。值的计算方法。因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状形状”。单元形函数描述的是给定单元的一种单元形函数描述的是给定单元的一种假定假定的特性。的特性。单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。求解精度。2024/6/30有限单元法简介20真实的二次曲线真实的二次曲线.节点节点单元单元 二次曲线的线性近似二次曲线的线性近似 (不理想结果不理想结果).2单元形函数(续)节点节点单元单元 DOF值二次分布值二次分布.1节点节点 单元单元 线性近似线性近似(更理想的结果更理想的结果)真实的二次曲线真实的二次曲线.3节点节点单元单元二次近似二次近似(接近于真实的二次近似拟合接近于真实的二次近似拟合)(最理想结果最理想结果).42024/6/30有限单元法简介21单元形函数(续)遵循遵循:DOFDOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。值与实际情况吻合得很好。这些平均意义上的典型解是从单元这些平均意义上的典型解是从单元DOFsDOFs推导推导出来的（如，结构应力、出来的（如，结构应力、热梯度）。热梯度）。如果单元形函数不能精确描述单元内部的如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFsDOFs，就不能很好地得到导，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。出数据，因为这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。遵循原则遵循原则:当当选选择择了了某某种种单单元元类类型型时时，也也就就十十分分确确定定地地选选择择并并接接受受该该种种单单元元类类型型所假定的单元形函数。所假定的单元形函数。在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有足足够够数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。2024/6/30有限单元法简介22二、有限单元法简介有限单元法的基本思想：有限单元法的基本思想：1、将一个连续域离散离散化为有限有限个单元，并通过有限个节点节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的近似函数近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个节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，未知场函数在各个节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连续的无限自由度问题变成离离散的有限自由度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。2024/6/30有限单元法简介23三、有限单元法分析步骤有限元法分析问题的基本步骤基本步骤：1、结构的离散化 离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单元的指定位置设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，构成单元的集合体代替原来的结构。结构离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来决定 选取坐标（右手法则）选择合适的单元，离散结构物为有限个单元，并对单元、节点进 行编号2024/6/30有限单元法简介24三、有限单元法分析步骤2、选择位移插值函数 为了能用节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做出一定的假设，一般假定位移是坐标的某种简单函数。选择适当的位移函数是有限单元法中的关键。f 单元内任意点的位移列矩阵 N 单元形函数矩阵 单元节点位移的列矩阵2024/6/30有限单元法简介25三、有限单元法分析步骤3、分析单元的力学特性 利用几何方程、本构方程和变分原理得到单元的刚度矩阵和载荷矩阵 Re=Ke e Re 单元节点力 Ke 单元刚度矩阵2024/6/30有限单元法简介26三、有限单元法分析步骤4、集合所有单元平衡方程，得到整体结构的平衡方程 先将各个单元刚度矩阵集合成整体刚度矩阵K，然后将各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵 K =Ke 5、由平衡方程求解未知节点位移 按照问题的边界条件修改总的平衡方程，并进行求解。2024/6/30有限单元法简介27三、有限单元法分析步骤6、单元应变和应力的计算 根据已知结点的位移利用弹性力学方程和位移插值函数算出单元的应变和应力。2024/6/30有限单元法简介28四、利用有限元软件进行工程分析 所有的通用有限元软件都包括：前处前处理、求解器、后处理理、求解器、后处理三个有逻辑顺序的模块。在进行实际工程分析时，也该按照以上三个模块来进行。进入求解器进行求解（设定分析步骤，输出变量）前处理（建模、材料特性、单元选择及网格划分）进入后处理（变形图、等值线图，列表显示等等后处理）2024/6/30有限单元法简介29四、利用有限元软件进行工程分析利用有限元软件进行工程问题的分析，一般应按下列步骤进行：（一）、制订分析方案需考虑以下几个方面：2024/6/30有限单元法简介301、分析领域 几何体几何体 载荷载荷 物理系统物理系统结构结构热热电磁电磁2024/6/30有限单元法简介312、分析目标力？位移？温度？还是其他？2024/6/30有限单元法简介323、线性/非线性分析“我的物理系统是在线性还是非线性状态下工作？线性求我的物理系统是在线性还是非线性状态下工作？线性求解能满足我的需要吗？如果不能，必须考虑哪种非线性特解能满足我的需要吗？如果不能，必须考虑哪种非线性特性？性？”许多情况和物理现象都要求进行非线性计算。许多情况和物理现象都要求进行非线性计算。(a)订书钉订书钉t0t1t2t3Fu (b)木制书架木制书架b1b2 (c)气动带气动带FuFu2024/6/30有限单元法简介334、静力/动力分析静静力力求求解解能能否否满满足足你你的的分分析析要要求求？如如果果不不能能，应应当当进进行行那那种种动动力力分分析析？动动力力分分析析的的所所有有载载荷荷都都是是随随时时间间变变化化的的，但在许多情况下动力影响可以忽略不计。但在许多情况下动力影响可以忽略不计。.一一般般情情况况下下，激激励励频频率率低低于于结结构构最最小小固固有有频频率的率的1/31/3时静力求解就足够了。时静力求解就足够了。.惯性力是动力问题不同于静力问题的关键之惯性力是动力问题不同于静力问题的关键之处。处。2024/6/30有限单元法简介345、分析细节的考虑在建立分析模型之前必须制订好建模方案：在建立分析模型之前必须制订好建模方案：必须考虑哪些细节问题？必须考虑哪些细节问题？对称对称/反对称反对称/轴对称？轴对称？模型中存在应力奇异？模型中存在应力奇异？选用那种类型的单元？选用那种类型的单元？.线单元线单元.壳单元壳单元.X XY Y平面单元平面单元-平面应力或应变单元平面应力或应变单元-轴对称单元轴对称单元-谐单元谐单元.实体单元实体单元.专用单元专用单元.线性单元线性单元/高阶单元高阶单元/P/P单元单元.四边形单元四边形单元/三角形单元，块单元三角形单元，块单元/四面体单元四面体单元2024/6/30有限单元法简介356 6、充分利用结构的对称性、充分利用结构的对称性PPPPP2024/6/30有限单元法简介367、网格密度相邻单元的尺寸尽可能接近相邻单元的尺寸尽可能接近应力变化大处单元应密集一些。结点的多少与疏密要考虑计算应力变化大处单元应密集一些。结点的多少与疏密要考虑计算 机的容量和计算精度机的容量和计算精度结点所连接的单元个数尽可能一致结点所连接的单元个数尽可能一致宜宜不宜不宜2024/6/30有限单元法简介378、单位制注意：注意：ANSYS和和ABAQUS大型有限元软件中，没有固大型有限元软件中，没有固定的单位制，大家在使用的过程中，可以自己选用前定的单位制，大家在使用的过程中，可以自己选用前后一致的一套单位制，则最后所得结果的单位即为即后一致的一套单位制，则最后所得结果的单位即为即为所选单位制对应的单位为所选单位制对应的单位。建议：尽量采用国际单位制2024/6/30有限单元法简介389、材料特性材料特性是有限元分析必须提供的数据，其准确与否直接影响到计算的精度；必要的时候需通过试验提供；一个复杂分析中可能包含很多种性质截然不同的材料，建模的时候应以足够的关键字以识别；很多有限元软件中，都提供用户接口，若软件中没有现成的材料模型，用户可以自行添加2024/6/30有限单元法简介3910、载荷l有限元软件中的载荷除了传统意义的载荷（重力、集中力、温度、电势等）外，还包括边界条件l在模型建立之前，应该确定所分析模型的工作环境、作用载荷的种类、大小、方向，作用位置等，这是保证分析正确的前提条件2024/6/30有限单元法简介4011、求解器 最后，根据分析问题的类型及要求，选择合适的求解器进行求解即可。OK!可以利用软件建模了！2024/6/30有限单元法简介41四、利用有限元软件进行工程分析（二）分析方案制订完毕，就可以进行实际问题的建模分析了1、建立模型、建立模型2024/6/30有限单元法简介422024/6/30有限单元法简介432、输入材料特性、输入材料特性3、选择单元，进行网格划分、选择单元，进行网格划分2024/6/30有限单元法简介444、施加载荷和边界条件、施加载荷和边界条件2024/6/30有限单元法简介455、定义接触（根据分析需要）、定义接触（根据分析需要）难点！2024/6/30有限单元法简介466、制订分析类型和输出要求、制订分析类型和输出要求7、选择适当的求解器进行求解、选择适当的求解器进行求解8、查看结果、查看结果2024/6/30有限单元法简介472024/6/30有限单元法简介482024/6/30有限单元法简介49 现代有限元方法经过科学家和数学家的工作已经使现代有限元方法经过科学家和数学家的工作已经使其不断成熟完善，从而变成工程分析中一种最有效的数其不断成熟完善，从而变成工程分析中一种最有效的数值方法之一。应用此方法在对于连续介质问题分析时，值方法之一。应用此方法在对于连续介质问题分析时，首先要将求解域离散化，然后的中心工作是首先要将求解域离散化，然后的中心工作是单元构造或单元构造或者列式分析者列式分析。此后的工作可以认为是程式化的工作，即。此后的工作可以认为是程式化的工作，即组装总体方程和求解此方程。组装总体方程和求解此方程。Institute of Mechanical Engineering and Automation五 结后语2024/6/30有限单元法简介50