有限元法的基本思想是什么?附有限單元法王勖成下載
來源:有限元之家
有限元法的基本思想
Core Concept
有限元法的基本思想是把連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個單元,并在每一個單元中設(shè)定有限個節(jié)點,從而將連續(xù)體看作僅在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體,同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量,并在每一單元中假設(shè)一個近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律,再建立用于求解節(jié)點未知量的有限元方程組,從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題。
求解得到節(jié)點值后就可以通過設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以致整個集合體上的場函數(shù)。對每個單元,選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù),使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、在子域分界面上以及子域與外界面上都滿足一定的條件。
單元組合體在已知外載荷作用下處于平衡狀態(tài)時,列出一系列以節(jié)點、位移為未知量的線性方程組,利用計算機(jī)解出節(jié)點位移后,再用彈性力學(xué)的有關(guān)公式,計算出各單元的應(yīng)力、應(yīng)変,當(dāng)各單元小到一定程度,那么它就代表連續(xù)體各處的真實情況。
按梁清香,張偉偉等人在《有限元原理與程序可視化設(shè)計》中的說法,其實可以形象地把它描述為“拆整為零”的過程。
也就是說用分片求解法將整個區(qū)域的問題劃分成一系列的簡單區(qū)域,在簡單區(qū)域上進(jìn)行問題求解。具體包括:
1、離散化
將連續(xù)的求解區(qū)域離散為有限個部分的集合,并認(rèn)為各部分只通過有線個點連接起來。如圖所示,可假想連續(xù)體(a)由許多小部件(b)組成,這些規(guī)則或不規(guī)則的小部分成為單元(element)。單元之間只通過有限個點連接起來,如(c)所示,單元①與單元②只在1、2兩點相連,這些連接點稱為節(jié)點(node)。這一過程稱有限元離散化過程。
2、假定單元場函數(shù)
在每個單元內(nèi)假定近似場函數(shù)(位移函數(shù)或應(yīng)力函數(shù)),并將單元內(nèi)的場函數(shù)由該單元各個節(jié)點的數(shù)值通過函數(shù)插值表示,這樣,未知的場函數(shù)(或包括其導(dǎo)數(shù))在單元內(nèi)各個節(jié)點的數(shù)值就成為新的未知量(其個數(shù)稱為自由度),從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。
3、單元分析
對每個單元分析,求出單元的特性。“集零為整”即“合”的過程,將單元的特性裝配在一起得到離散體整體的特性,并利用數(shù)值計算方法得到整個求解域上場函數(shù)的近似值。
有限元法的分類
Classification
有限元法可分為三類,即位移法、力法、和混合法。在位移法中,選節(jié)點位移作為基本未知量。
在力法中,選節(jié)點力作為基本未知量;在混合法中,一部分基本未知量為節(jié)點位移,另一部分基本未知量為節(jié)點力。(節(jié)點位移是指節(jié)點在受力變形過程中,節(jié)點位置的改變,分為線位移、角位移;單元節(jié)點力即單元與節(jié)點之間的作用力。)
位移法計算過程的系統(tǒng)性、規(guī)律性強(qiáng),特別適宜編程求解。一般除板殼問題的有限元法應(yīng)用一定量的混合法外,其余全部采用位移法。
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