有限元课程大作业
一、问题描述
销和销孔接触问题，插销半径r=0.25cm，长度L=2.5cm,插座宽度W=4cm，高度H=4cm，厚度t=1cm，插孔半径r=0.49cm，插销和插座材料弹性模量E=3.6*107N/cm2，泊松比＝0.3。计算插销拨拉过程中插销和插座体内的应力分布以及接触压力大小。
二、简化模型
由于插孔的半径比插销的半径要小，所以在插销装配到插座时插销和插座内都会产生装配预应力。要分析拨拉过程的应力分析，首先要得到预应力的分布。由于装配体结构的对称性，我们可以取模型的四分之一来进行分析，并分成两个载荷步来求解。第一个载荷步时观察擦汗小接触面的应力，第二个载荷步时观察插销拨拉过程中的应力，接触压力和反力等。
三、建立有限元模型
１．实体建模
首先生成插座：执行直接生成块命令，输入相关参数生成插座立方体；
生成圆柱体：执行直接生成圆柱体命令，输入参数生成圆柱体；
生成插孔：执行布尔操作，用生成的插座立方体挖去圆柱体，生成插孔；
生成插销：执行直接生成圆柱体命令，输入参数生成圆柱体；
完成建模的几何模型见图1。
切分掉模型1/4：通过设置工作平面，来切分模型；
切分以后的几何模型见图2。
图1
图2
２．划分网格
定义单元类型：选择创建“Structural Solid”和“Brick8node185”两种单元类型；
定义材料（弹性模量，泊松比）：ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic ；
网格密度设置：插销单元和插销座单元网格密度分别设置；
设置单元形状和网格划分方法，划分网格后模型见图3。
图3
四、加载和求解
１．建立接触单元
设置插销孔的接触面为第一个接触面，圆柱插销的接触面为第二个接触面，设置面面接触，生成接触面。
２．定义位移约束
施加对称位移约束：在插座和插座销被切分出来的四个面上施加
对称位移约束；
施加面约束：插座左侧面添加面约束，固定该面所有自由度。3．对第一个载荷步求解
设置求解选项，求解插销和插销座的装配预应力。
4．对第二个载荷步求解
设置求解选项，求解插销和插销座拨拉过程。
五、后处理
１．设置扩展模式
调用扩展模式，扩展后的模型见图4。
图4
２．装配预应力
读入第一个载荷步的计算结果；
绘制装配应力图见图5，扩展后的应力图见图6。
图5
读入某时刻计算结果，绘制接触面压力云图，见图7。
图7
３．拨拉过程
读入第二个载荷步的计算结果，选择所有模型，绘制插销拨出时
的应力云图，见图8。
图8
. 一、题目 如图1所示，一个厚度均匀的三角形薄板，在顶点作用沿板厚方向均匀分布的竖向载荷。已知：P=150N/m ，E=200GPa ，=0.25，t=0.1m ，忽略自重。试计算薄板的位移及应力分布。 要求： 1. 编写有限元计算机程序，计算节点位移及单元应力。（划分三角形 单元，单元数不得少于30个）； 2. 采用有限元软件分析该问题（有限元软件网格与程序设计网格必 须一致），详细给出有限元软件每一步的操作过程，并将结果与程序计算结果进行对比（任选取三个点，对比位移值）； 3. 提交程序编写过程的详细报告及计算机程序； 4. 所有同学参加答辩，并演示有限元计算程序。 有限元法中三节点三角形分析结构的步骤如下： 1）整理原始数据，如材料性质、荷载条件、约束条件等，离散结构并进行单元编码、结点编码、结点位移编码、选取坐标系。 2）单元分析，建立单元刚度矩阵。 3）整体分析，建立总刚矩阵。 4）建立整体结构的等效节点荷载和总荷载矩阵 5）边界条件处理。 6）解方程，求出节点位移。 7）求出各单元的单元应力。 8）计算结果整理。 一、程序设计 网格划分 如图，将薄板如图划分为6行，并建立坐标系，则
刚度矩阵的集成 建立与总刚度矩阵等维数的空矩阵，已变单元刚度矩阵的集成。 由单元分析已知节点、单元的排布规律，继而通过循环计算求得每个单元对应的节点序号。 通过循环逐个计算：（1）每个单元对应2种单元刚度矩阵中的哪一种； （2）该单元对应总刚度矩阵的那几行哪几列 （3）将该单元的单元刚度矩阵加入总刚度矩阵的对应行列 循环又分为3层循环：（1）最外层：逐行计算 （2）中间层：该行逐个计算 （3）最里层：区分为第 奇/偶 数个计算 单元刚度的集成：[ ][][][][][]' '''''215656665656266256561661e Z e e e Z e Z e e e e k k k K k k k k k k +?++=? =?==?==?=?????? 边界约束的处理：划0置1法 X Y P X Y P
一．问题描述 如图所示的平面矩形结构，设E=1，NU=0.25，h=1，考虑以下约束和外载： 位移边界条件BC（u）：U A=0，V A=0，U D=0， 力边界条件BC（p）：在CD边上有均布载荷q=1， 建模情形：使用四个四节点矩形单元， 试在该建模情形下，求各节点的位移以及各个单元的应力分布。
二．Matlab程序 (1).函数定义： function k= Quad2D4Node_Stiffness(E,NU,h,xi,yi,xj,yj,xm,ym,xp,yp,ID) syms s t; a = (yi*(s-1)+yj*(-1-s)+ym*(1+s)+yp*(1-s))/4; b = (yi*(t-1)+yj*(1-t)+ym*(1+t)+yp*(-1-t))/4; c = (xi*(t-1)+xj*(1-t)+xm*(1+t)+xp*(-1-t))/4; d = (xi*(s-1)+xj*(-1-s)+xm*(1+s)+xp*(1-s))/4; B1 = [a*(t-1)/4-b*(s-1)/4 0 ; 0 c*(s-1)/4-d*(t-1)/4 ; c*(s-1)/4-d*(t-1)/4 a*(t-1)/4-b*(s-1)/4]; B2 = [a*(1-t)/4-b*(-1-s)/4 0 ; 0 c*(-1-s)/4-d*(1-t)/4 ; c*(-1-s)/4-d*(1-t)/4 a*(1-t)/4-b*(-1-s)/4]; B3 = [a*(t+1)/4-b*(s+1)/4 0 ; 0 c*(s+1)/4-d*(t+1)/4 ; c*(s+1)/4-d*(t+1)/4 a*(t+1)/4-b*(s+1)/4]; B4 = [a*(-1-t)/4-b*(1-s)/4 0 ; 0 c*(1-s)/4-d*(-1-t)/4 ; c*(1-s)/4-d*(-1-t)/4 a*(-1-t)/4-b*(1-s)/4]; Bfirst = [B1 B2 B3 B4]; Jfirst = [0 1-t t-s s-1 ; t-1 0 s+1 -s-t ; s-t -s-1 0 t+1 ; 1-s s+t -t-1 0]; J = [xi xjxmxp]*Jfirst*[yi ;yj ; ym ; yp]/8; B = Bfirst/J; if ID == 1 D = (E/(1-NU*NU))*[1 NU 0 ; NU 1 0 ; 0 0 (1-NU)/2]; elseif ID == 2 D = (E/(1+NU)/(1-2*NU))*[1-NU NU 0 ; NU 1-NU 0 ; 0 0 (1-2*NU)/2]; end BD = J*transpose(B)*D*B; r = int(int(BD, t, -1, 1), s, -1, 1); z = h*r; k = double(z); end function z = Quad2D4Node_Assembly(KK,k,i,j,m,p) DOF(1)=2*i-1; DOF(2)=2*i; DOF(3)=2*j-1; DOF(4)=2*j; DOF(5)=2*m-1; DOF(6)=2*m; DOF(7)=2*p-1; DOF(8)=2*p; for n1=1:8
结构有限元分析程序设计 绪论 §0.1 开设“有限元程序设计”课程的意义和目的 §0.2 课程特点 §0.3 课程安排 §0.4 课程要求 §0.5 基本方法复习 $0.1 意义和目的 1.有限元数值分析技术本身要求工程设计研究人员掌握 1). 有限元数值分析技术的完善标志着现代计算力学的真正成熟和实用化,已在各种 力学中得到了广泛的应用。比如：，已杨为工程结构分析中最得以收敛的技术手段，现代功用大致有： a). 现代结构论证。对结构设计从内力，位移等方面进行优劣评定，从而进 行结构优化设计。 b)可取代部份实验，局部实验+有限元分析，是现代工程设计研究方法的一大 特点。 c)结构的各种功能分析（疲劳断裂，可靠性分析等）都以有限元分析工具作为 核心的计算工具。 2). 有限元数值分析本身包括着理论+技术实现（本身功用所绝定的） 有限元数值分析本身包括着泛函理论+分片插值函数+程序设计 2. 有限元分析的技术实现（近十佘年的事）更依赖于计算机程序设计 有限元分析的技术取得的巨大的成就，从某种意义上说，得益于计算机硬件技术的发展和程序设计技术的发展，这两者的依赖性在当代表现得更加突出。（如可视化技术） 3.从学习的角度，不仅要学习理论，而且要从程序设计设计角度对这些理论的技术实现有 一个深入的了解，应当致力于掌握这些技术实现能力，从而开发它，发展它。（理论本身还有待于进一步完美相应的程序设计必须去开发） 4.程序设计不仅是实现有限元数值分析的工具和桥梁，而且在以下诸方面也有意义： 1). 精通基本概念，深化理论认识； 2). 锻炼实际工程分析，实际动手的能力； 3). 获得以后工作中必备的工具。（作业+老师给元素库） 目的：通过讲述有限元程序设计的技术与技巧，便能达到自编自读的能力。 §0.2 课程特点 总描述：理论+算法+数据结构（程序设计的意义） 理论：有限元算法，构造，步骤，解的等外性，收敛性，稳定性，误差分析 算法；指求解过程的技术方法，含两方面的含义；a. 有限元数值分析算法，b, 与数据结构有关的算法（总刚稀疏存贮，提取，节点优化编号等） 数据结构：指各向量矩阵存贮管理与实现，辅助管理结构（指针，数据记录等） 具体特点： 理论性强：能量泛函理论+有限元构造算法+数据结构构造算法 内容繁杂：理论方法+技术方法+技术技巧 技巧性强：排序，管理结构（指针生成，整型运算等）
重庆大学本科学生课程设计任务书 课程设计题目有限元程序设计 学院资源及环境科学学院专业工程力学年级2010级 已知参数和设计要求： 1.独立完成有限元程序设计。 2.独立选择计算算例，并能通过算例判断程序的正确性。 3.独立完成程序设计报告，报告内容包括理论公式、程序框图、程序本 体、计算算例，算例结果分析、结论等。 学生应完成的工作： 1.复习掌握有限单元法的基本原理。 2.掌握弹性力学平面问题3节点三角形单元或4节点等参单元有限元方法 的计算流程，以及单元刚度矩阵、等效节点载荷、节点应变、节点应力 和高斯积分等的计算公式。 3.用Fortran语言编写弹性力学平面问题3节点三角形单元或4节点等参 单元的有限元程序。 4.在Visual Fortran 程序集成开发环境中完成有限元程序的编辑和调试 工作。 5.利用编写的有限元程序，计算算例，分析计算结果。 6.撰写课程设计报告。 目前资料收集情况（含指定参考资料）： 1.王勖成，有限单元法，北京：高等教育出版社，2002。 2.O.C. Zienkiewicz, R. L. Taylor, Finite Element Method, 5th Eition, McGraw-Hall Book Company Limited, 2000。 3.张汝清，董明，结构计算程序设计，重庆：重庆大学出版社，1988。 课程设计的工作计划： 1.第1周星期一上午：教师讲解程序设计方法，程序设计要求和任务安 排。 2.第1周星期一至星期二完成程序框图设计。 3.第1周星期三至第2周星期四完成程序设计。 4.第2周星期五完成课程设计报告。 任务下达日期 2013 年 6 月 6 日完成日期 2013 年 07 月 03 日 指导教师（签名） 学生（签名）
有限元分析概念 有限元法：把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元（子域）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解，由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件 有限元模型：它是真实系统理想化的数学抽象。由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。 有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 线弹性有限元是以理想弹性体为研究对象的，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律；应力与应变也是线性关系，线弹性问题可归结为求解线性方程问题，所以只需要较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法，也有助于降低有限元分析的时间。 线弹性有限元一般包括线弹性静力学分析与线弹性动力学分析两方面。 非线性问题与线弹性问题的区别： 1）非线性问题的方程是非线性的，一般需要迭代求解； 2）非线性问题不能采用叠加原理； 3）非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。 有限元求解非线性问题可分为以下三类：
1）材料非线性问题 材料的应力和应变是非线性的，但应力与应变却很微小，此时应变与位移呈线性关系，这类问题属于材料的非线性问题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的本构关系，所以，一般材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据，有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟，尽管这些模型总有他们的局限性。在工程实际中较为重要的材料非线性问题有：非线性弹性（包括分段线弹性）、弹塑性、粘塑性及蠕变等。 2）几何非线性问题 几何非线性问题是由于位移之间存在非线性关系引起的。 当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系。研究这类问题一般都是假定材料的应力和应变呈线性关系。它包括大位移大应变及大位移小应变问题。如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。 3）非线性边界问题 在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边界属于高度非线性边界。 平时遇到的一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。 实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性问题。
有限元大作业程序设计 学校：天津大学 院系：建筑工程与力学学院 专业：01级工程力学 姓名：刘秀 学号：\\\\\\\\\\\ 指导老师：
连续体平面问题的有限元程序分析 [题目]： 如图所示的正方形薄板四周受均匀载荷的作用，该结构在边界 上受正向分布压力， m kN p 1=，同时在沿对角线y 轴上受一对集中压 力，载荷为2KN ，若取板厚1=t ，泊松比0=v 。 [分析过程]： 由于连续平板的对称性，只需要取其在第一象限的四分之一部分参加分析，然后人为作出一些辅助线将平板“分割”成若干部分，再为每个部分选择分析单元。采用将此模型化分为4个全等的直角三角型单元。利用其对称性，四分之一部分的边界约束，载荷可等效如图所示。
[程序原理及实现]： 用FORTRAN程序的实现。由节点信息文件NODE.IN和单元信息文件ELEMENT.IN，经过计算分析后输出一个一般性的文件DATA.OUT。模型基本信息由文件为BASIC.IN生成。 该程序的特点如下： 问题类型：可用于计算弹性力学平面问题和平面应变问题 单元类型：采用常应变三角形单元 位移模式：用用线性位移模式 载荷类型：节点载荷，非节点载荷应先换算为等效节点载荷 材料性质：弹性体由单一的均匀材料组成 约束方式：为“0”位移固定约束，为保证无刚体位移，弹性体至少应有对三个自由度的独立约束 方程求解：针对半带宽刚度方程的Gauss消元法
输入文件：由手工生成节点信息文件NODE.IN，和单元信息文件ELEMENT.IN 结果文件：输出一般的结果文件DATA.OUT 程序的原理如框图：
有限元法分析与建模课程设计报告 学院：机械电子工程学院 专业：机械电子工程 指导教师：杜平安 学生：乔林 学号：201221080212 2012-12-10
摘要 摘要 连杆的作用是将活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动, 并把活塞上的力传 给曲轴连杆工作的小端做往复运动, 大端作旋转运动, 杆身做复杂的平面运动。本文用Pro/E建立连杆的三维模型，并运用ANSYS强大的有限元分析和优化功能来实现连杆的分析ANSYS 是一款极其强大的有限元分析软件。通过数据接口，ANSYS 可以方便的实现从CAD 软件中导入实体模型。因此，将Pro/E强大的 建模功能与ANSYS 优越的有限元分析功能结合在一起可以极大地满足设计者 在设计过程中对建模与分析的需求。 关键词：连杆，有限元，Pro/E，ANSYS
ABSTRACT ABSTRACT The role oftheconnecting rodisthesmall end ofthereciprocation of the pistonintoarotational movementofthecrankshaft, and to transmittheforceon the pistontothecrankshaft connecting rodreciprocates, thebig endfor pivotal movement, Shaftdo complexplanar motion. The establishment ofalinkageof thethree-dimensionalmodelusingPro / E, thepowerfulANSYSfinite elementanalysis andoptimization capabilitiestoachievetheconnecting rodfatigueanalysisANSYSisan extremelypowerfulfinite element analysis software. Throughthedata interface, ANSYS canfacilitate the realization ofsolid modelsimportedfromCAD software. Therefore,thesuperiorpowerfulmodeling capabilitiesofPro / Eand ANSYSfinite elementanalysis capabilitiestogethercanmeetthedesignersin the design processmodelingand analysis. Keywords:rod, finite element, Pro / E, ANSYS
目录一. 前言 二．有限元设计部分 1 问题阐述 2 解析法求解 3 模型简化 4 ANSYS软件应用说明 5 结果分析 三．机械优化设计部分 1 问题阐述 2 解析算法 3 黄金分割法顺序流程图 4 C语言源程序代码 5 结果分析 四．设计心得 五. 参考文 一．前言
二．有限元设计部分 1、问题阐述 外伸梁上均布载荷的集中度为q=3kN/m，集中力偶矩M e=3kN·m列出剪力方程和弯矩方程，并绘制剪力图。材料力学Ι（刘鸿文第四版）P121
图2-1 外伸梁简化图 2、解析法求解 由梁的平衡方程，求出支反力为 F RA=14.5kN，F RB=3.5kN 梁的C A、ＡＤ、ＤＢ等三段内，剪力和弯矩都不能有同一个方程来表示，所以应分为三段考虑。对每一段都可以用同一个方法计算，列出剪力方程和弯矩方程，方程中ｘ以ｍ为单位，Ｆｓ（ｘ）以ｋＮ为单位，Ｍ（ｘ）以ｋＮ为单位。 在ＣＡ段内： Ｆｓ（ｘ）＝－ｑｘ＝－３ｘ（０＜=ｘ＜２ｍ） （g） Ｍ（ｘ）＝－（3／２）Ｘ２（０＜ｘ＜=2ｍ） （h）
在AD段内： Ｆｓ（ｘ）＝F RA－ｑｘ＝14.5－３ｘ（2m＜ｘ＜=6ｍ） （i） Ｍ（ｘ）＝F RA（x-2）-（1/2）X２=14.5（x-2）- （3/2）X 2 (j) (2m＜ ｘ6m) M（x）是x的二次函数,根据极值条件dM（x）/d(x)=0,得 14.5-3x=0 由此解出x=4.83m，亦即在那这一截面上，弯矩为极值。 代入（j） 式得AD段内的最大弯矩为 M=6.04kN·m 当截面取在DB段，用截面右侧的外力计算剪力和弯矩比较方
有限元法分析与建模课程设计报告 学院：机电学院 专业：机械制造及其自动化指导教师：**** 学生：* *** 学号：2012011**** 2015-12-31
摘要 本文通过ANSYS10.0建立了标准光盘的离心力分析模型，采用有限元方法对高速旋转的光盘引起的应力及其应变进行分析，同时运用经典弹性力学知识来介绍ANSYS10.0中关于平面应力问题分析的基本过程和注意事项。力求较为真实地反映光盘在光驱中实际应力和应变分布情况，为人们进行合理的标准光盘结构设计和制造工艺提供理论依据。 关键词：ANSYS10.0；光盘；应力；应变。
目录 第一章引言 (3) 1.1 引言 (3) 第二章问题描述 (4) 2.1有限元法及其基本思想 (4) 2.2 问题描述 (4) 第三章力学模型的建立和求解 (5) 3.1设定分析作业名和标题 (5) 3.2定义单元类型 (6) 3.3定义实常数 (9) 3.4定义材料属性 (12) 3.5建立盘面模型 (14) 3.6对盘面划分网格 (22) 3.7施加位移边界 (27) 3.8施加转速惯性载荷并求解 (30) 第四章结果分析 (32) 4.1 旋转结果坐标系 (32) 4.2查看变形 (33) 4.3查看应力 (35) 总结 (38) 参考文献 (39)
第一章引言 1.1 引言 光盘业是我国信息化建设中发展迅速的产业之一，认真研究光盘产业的规律和发展趋势，是一件非常迫切的工作。光盘产业发展的整体性强，宏观调控要求高，因此，对于光盘产业的总体部署、合理布局和有序发展等问题，包括节目制作、软件开发、硬件制造、节目生产、技术标准等。 在高速光盘驱动器中，光盘片会产生应力和应变，在用ANSYS分析时，要施加盘片高速旋转引起的惯性载荷，即可以施加角速度。需要注意的是，利用ANSYS施加边界条件时，要将内孔边缘节点的周向位移固定，为施加周向位移，而且还需要将节点坐标系旋转到柱坐标系下。 本文通过ANSYS10.0建立了标准光盘的离心力分析模型，采用有限元方法对高速旋转的光盘引起的应力及其应变进行分析，同时运用经典弹性力学知识来介绍ANSYS10.0中关于平面应力问题分析的基本过程和注意事项。
有限元编程的c++实现算例 1. #include<> 2. #include<> 3. 4. 5. #define ne 3 #define nj 4 #define nz 6 #define npj 0 #define npf 1 #define nj3 1 2 #define dd 6 #define e0 #define a0 #define i0 #define pi 16. 17. 18. int jm[ne+1][3]={{0,0,0},{0,1,2},{0,2,3},{0,4,3}}; /*gghjghg*/ 19. double gc[ne+1]={,,,}; 20. double gj[ne+1]={,,,}; 21. double mj[ne+1]={,a0,a0,a0}; 22. double gx[ne+1]={,i0,i0,i0}; 23. int zc[nz+1]={0,1,2,3,10,11,12}; 24. double pj[npj+1][3]={{,,}}; 25. double pf[npf+1][5]={{0,0,0,0,0},{0,-20,,,}}; 26. double kz[nj3+1][dd+1],p[nj3+1]; 27. double pe[7],f[7],f0[7],t[7][7]; 28. double ke[7][7],kd[7][7]; 29. 30. 31. 36. void jdugd(int); 38. void zb(int); 39. void gdnl(int); 40. void dugd(int);
有限元编程的c++实现算例 1.#include
有限元课程设计
目录 0.前言 (3) 1.问题阐述 (4) 2.有限元分析 (5) 2.1.梁的参数设定 (5) 2.2.材料参数 (5) 2.3.单元选择 (5) 2.4.梁的边界条件 (6) 2.5.梁所受的载荷 (6) 2.6.ANSYS软件应用说明 (6) 3.交互式的求解过程 (7) 3.1创建梁的各个节点 (7) 3.2定义单元类型、材料特性和梁的横截面几何参数 (10) 3.3创建单元 (12) 4.施加约束和载荷 (13) 4.1节点自由度约束 (13) 4.2施加节点13处的弯矩m。 (14) 4.3施加单元1到单元12上的的分布载荷q。 (15) 5.求解 (15) 5.1定义分析类型 (15) 5.2求解 (15) 6.后处理 (16) 6.1绘制梁的Y方向变形图 (16) 6.2建立单元结果表 (17) 6.3结果显示 (19) 退出程序 (21) 心得体会 (22) 参考文献 (22)
0.前言 目前，几乎所有高校的力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等理工科专业，都为高年级本科生开设了《有限元方法》基础课程，为研究生开设了《非线性有限元方法》学位课程。学生在学习完有限元课程之后，还必须熟练掌握相关有限元软件的使用，才能将有限元基本理论有效地应用到实际工程问题分析中去。为此，部分有条件的高校也开设了有限元软件应用课程（课程名称可能会因学校及专业的不同而有所差异，但都是以讲解有限元软件ANSYS或其他软件为主）。哈尔滨工业大学航天学院工程力学专业20世纪90年代末即开设了该类课程《应用软件工程--ANSYS》，作者从2003年开始接手讲授该门课程。虽然市面上的ANSYS书籍很多，但却难以找出一本非常适合做教材的书籍，因此作者参考多本书籍自主编写了校内讲稿。经过6年多的试用，目前已基本成型，现将多年的校内讲稿和心得体会完善成书，以期与开设该类课程的兄弟院校分享、共勉，同时也供从事相关科研与工程项目的人员参考阅读。 ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过三十年的发展，已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准，目前几乎所有的CAD/CAE/CAM软件都竞相开发了与ANSYS的专用接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。ANSYS软件在Linux 和Windows下均有版本，并同时有32位和64位版本，目前最新的版本为12.0。 本书以ANSYS 12.0版本为依据，以Windows NT为操作平台，将结构有限元分析的基本理论与ANSYS实践操作紧密结合，通过大量精心筛选的具有实际工程应用背景的原创性分析实例，以图形用户界面和命令流两种方式向读者全面介绍了ANSYS结构有限元分析方法。
有限元法的理论基础 有限元法是一种离散化的数值计算方法，对于结构分析而言，它的理论基础是能量原理。能量原理表明，在外力作用下，弹性体的变形、应力和外力之间的关系受能量原理的支配，能量原理与微分方程和定解条件是等价的。下面介绍有限元法中经常使用的虚位移原理和最小势能原理。 1.虚位移原理 虚位移原理又称虚功原理，可以叙述如下：如果物体在发生虚位移之前所受的力系是平衡的(物体内部满足平衡微分方程，物体边界上满足力学边界条件），那么在发生虚位移时，外力在虚位移上所做的虚功等于虚应变能（物体内部应力在虚应变上所做的虚功）。反之，如果物体所受的力系在虚位移（及虚应变）上所做的虚功相等，则它们一定是平衡的。可以看出，虚位移原理等价于平衡微分方程与力学边界条件。所以虚位移原理表述了力系平衡的必要而充分的条件。 虚位移原理不仅可以应用于弹性性力学问题，还可以应用于非线性弹性以及弹塑性等非线性问题。 2.最小势能原理 最小势能原理可以叙述为：弹性体受到外力作用时，在所有满足位移边界条件和变形协调条件的可以位移中，真实位移使系统的总势能取驻值，且为最小值。根据最小势能原理，要求弹性体在外力作用下的位移，可以满足几何方程和位移边界条件且使物体总势能取最小值的条件去寻求答案。最小势能原理仅适用于弹性力学问题。 2.2有限元法求解问题的基本步骤 弹性力学中的有限元法是一种数值计算方法，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元法的基本步骤是相同的，只是具体方式推导和运算求解不同，有限元求解问题的基本步骤如下。 2.2.1问题的分类 求解问题的第一步就是对它进行识别分析，它包含的更深层次的物理问题是什么？比如是静力学还是动力学，是否包含非线性，是否需要迭代求解，要从分析中得等到什么结果等。对这些问题的回答会加深对问题的认识与理解，直接影响到以后的建模与求解方法的选取等。 2.2.2建模 在进行有限元离散化和数值求解之值，我们为分析问题设计计算模型，这一步包括决定哪种特征是所要讨论的重点问题，以便忽略不必要的细节，并决定采用哪种理论或数学公式描述结果的行为。因此，我们可以忽略几何不规则性，把一些载荷看做是集中载荷，并把某些支撑看做是固定的。材料可以理想化为线弹性和各向同性的。根据问题的维数、载荷以及理论化的边界条件，我们能够决定采用梁理论、板弯曲理论、平面弹性理论或者一些其他分析理论描述结构性能。在求解中运用分析理论简化问题，建立问题的模型。 2.2.3连续体离散化 连续体离散化，习惯上称为有限元网络划分，即将连续体划分为有限个具有规则形状的单元的集合，两相邻单元之间只通过若干点相互连接，每个连接点称为节点。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形的需要和计算精度而定，如二维连续体的单元可为三角形、四边形，三维连续体的单元可以是四面体、长方体和六面体等。为合理有效地表示连续体，需要适当选择单元的类型、数目、大小和排列方式。 离散化的模型与原来模型区别在于，单元之间只通过节点相互连接、相互作用，而无其他连接。因此这种连接要满足变形协调条件。离散化是将一个无限多自由度的连续体转化为一个有限多自由度的离散体过程，因此必然引起误差。主要有两类：建模误差和离散化误差。
有限元及程序设计 1. 下列关于高精度单元描述正确的是（ ）。 A.等参元的位移模式和坐标变换采用不同的形函数 B.矩形单元形状规则，因而使用范围较 广 C.6结点三角形单元、10结点三角形单元、8结点矩形单元和 12结点矩形单元的单元 刚度矩阵的建立过程是不一样的 D.6结点三角形单元较容易模拟物体的边界形状 【参考答案】：D 2. 0 =cxy 能解决矩形板（ ）问题。 A.左右均布拉压 B.上下均布拉压 C 纯剪切 D.纯弯曲 【参考答案】：C 3. 下列关于等参元的叙述不正确的是（ A.精度较高 B.能较好的模拟边界条件 【参考答案】：D 4. 薄板的边界不包括（ A.简支边界 B.固定边界 C.自由边界和荷载边界 D.非固定边界 【参考答案】：D ）。 C.输入的信息量较少 D.输入的信息量较多 5. 下列属于平面应力问题的是（ A.平板坝的平板支墩 B 挡土墙 【参考答案】：A 6. 在应力函数上任意增减一个（ A.线性项 B.二次项 C.三次项 【参考答案】：A 7. 下列不属于提高单元精度的方法是 A.增加单元结点数目 B 在单元内增设结点 【参考答案】：C 8. 空间问题的基本平衡微分方程有（ A.2 B.3 C.4 D.5 【参考答案】：C ）。 C.重力水坝 D.受内水压力作用的圆管 ），对应力分量无影响。 D.常数项 ）。 C.减少单元结点数目 D.设等参元 个。 ）问题。 C 纯剪切 D.纯弯曲 A.左右均布拉压 B.上下均布拉压 【参考答案】：B 10. 下列属于不规则单元的有（ A.正四面体单元 B.正三棱体单元 【参考答案】：C 11. 空间问题的基本未知位移分量有（ A.2 B.3 C.4 D.5 【参考答案】：B 1. 薄板小挠度弯曲理论的基本假定是（ ）。 A.直法线假定 B.法向位移假定 C.中面位移假定 D.板内无挤压假定 【参考答案】：A|C|D 2. 弹性力学平面问题 按应力求解具体可分为（ ）两种。 A.逆解法 B.顺解法 C.半逆解法 D.半顺解法 ）。 C.任意四面体单元 D.正六面体单元 ）个。
成绩评定表
课程设计任务书
目录 一、前言 (2) 二、平面梁结构的静力学分析 (3) 1. 问题阐述 (3) 2. 物理参数与几何参数 (3) 三、交互式的求解过程 (3) 1. 创建节点 (3) 2. 定义单元类型和材料特性 (6) 3. 创建单元 (7) 4. 施加约束和载荷 (8) 5. 求解 (10) 6. 后处理 (11) 7. 退出程序 (15) 参考文献 (15)
前言 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。有限元法将函数定义在简单几何形状的单元域上，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。
本科生实验报告书 四节点等参单元有限元分析的FORTRAN程序
目录 1．问题概述 (1) 2．四节点四边形等参单元介绍 (1) 3．单元应力磨平方法介绍 (4) 4．程序流程设计 (6) 程序设计概述 流程图 5．程序结构及程序说明 (8) 6．程序应用及算例分析 (9) 算例概述 算例ANSYS求解 算例程序数值解 算例分析 7. 总结 (15)
1. 问题概述 等参单元是有限元方法中使用最广泛的单元类型。等参单元的位移模式和坐标变换均采用相同的形函数，这种坐标变换叫做等参变换。通过等参变换可以将自然（局部）坐标中几何形状规则的单元转换成总体（笛卡尔）坐标中形状扭曲的单元，因而使得单元有较好的适应性。 本问题首先对平面四节点四边形等参单元的形函数、应力矩阵和等效节点力矩阵、应力磨平公式等的推导和计算求解。并通过设计FORTRAN 求解程序进行编程求解，最后给出算例（受集中荷载的悬臂梁）并进行求解，将解与ANSYS 的解进行比较。在这个过程中，采用了高斯三点积分和高斯两点积分，这种积分方法的求解效率较高而且精度也较好。在问题的最后，尝试去分析引起数值解误差的原因，并分析四节点等参单元的若干特性。 2. 四节点四边形等参单元介绍 边长为2的正方形单元（如下图所示），在其形心处安置一个局部坐标。单元角 结点i 的坐标（,）分别为 ,因此单元四条边界的方程可用简单公式 和 逐一给出。 图2-1 母单元 1 2 3 4 0
图2-2 四边形单元 形函数的表达式： 位移函数： ∑==41 i N u i i u ∑==4 1 i N v i i v 坐标变换式： ∑==41 i x N x i i ，∑==4 1 i y N y i i 单元应变矩阵 {}[]{}[]{}e e B B B B B x v y u y v x u δδε4321==??? ? ??? ?????????????+??????= 式中{ }[]T T T T T 4 321e δδδδδ=——单元节点的位移列阵；
有限元程序设计报告 课程名称:有限元程序设计 指导教师：张亮 学校：重庆大学 专业：工程力学01班 姓名：苏世宏 学号：20126699 2015年7月8日
有限元程序设计报告 一、前言 有限元方法（the Finite Element Method）是起源与上个世纪50、60 年代，基于弹性力学变分原理的一种近似计算方法，也是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分。有限元程序系统通常包括前处理、有限元程序本体和后处理三部分。前处理包括几何实体模型的建立、材料参数的赋值、位移边界条件的定义、载荷的定义、分析问题类型的定义、单元类型的选择和网格的划分等。（分析问题类型如静力分析、动力特性分析、动力响应、温度场分析、电磁场分析、流体动力学分析等）有限元程序本体是有限元程序系统的核心部分，其功能是实现各种问题的计算。后处理则是将计算结果用图形、曲线和表格的形式表达。（通常包括结构的变形图、应力、应变分布云图等） 本课程设计则是针对有限元程序本体，参照教学程序（FEATP），编写简单的有限元程序以计算简单的平面应力、平面应变和轴对称问题，并将其结果与有限元商用软件（ANSYS）的计算结果，以及问题的理论值进行比较，从而验证程序以及问题模型建立的正确性。 1．设计目的 1）通过编写简单的有限元程序熟悉用有限元方法解决实际问题的基本步骤和过程，体会这种方法的处理手段。 2）在V isual Fortran 中编写程序，熟悉并巩固F ortran 语言的语法、算法，学习程序的调试方法，并体会其在执行某个具体算例时，文件的输入、输出以及程序的执行过程。 2．设计内容 1）以教学程序（FEATP）为参照，编写程序，计算简单的平面应力（Plane Stress），平面应变(Plane Strain)问题，验证程序的正确性。 2）在具体的算例中，对同一问题，在程序和ANSYS 中采用不同的单元和网格划分方式，将其结果与理论值进行对比，体会不同的单元和网格划分对问题解的影响，从而判断模型的正确性和合理性。 3）总结在编写程序和算例中遇到的问题和解决方法，写出自己的心得体会。 二、弹性力学平面问题有限元方法的基本公式
基于Matlab语言的按平面三角形单元划分的结构有限元程序设计 专业：建筑与土木工程 班级：建工研12-2 姓名：韩志强 学号： 471220580
基于Matlab语言的按平面三角形单元划分 结构有限元程序设计 一、有限单元发及Matlab语言概述 1. 有限单元法 随着现代工业、生产技术的发展，不断要求设计高质量、高水平的大型、复杂和精密的机械及工程结构。为此目的，人们必须预先通过有效的计算手段，确切的预测即将诞生的机械和工程结构，在未来工作时所发生的应力、应变和位移因此，需要寻求一种简单而又精确的数值分析方法。有限单元法正是适应这种要求而产生和发展起来的一种十分有效的数值计算方法。 有限元法把一个复杂的结构分解成相对简单的“单元”，各单元之间通过结点相互连接。单元内的物理量由单元结点上的物理量按一定的假设内插得到，这样就把一个复杂结构从无限多个自由度简化为有限个单元组成的结构。我们只要分析每个单元的力学特性，然后按照有限元法的规则把这些单元“拼装”成整体，就能够得到整体结构的力学特性。 有限单元法基本步骤如下： (1)结构离散：结构离散就是建立结构的有限元模型，又称为网格划分或单元划分，即将结构离散为由有限个单元组成的有限元模型。在该步骤中，需要根据结构的几何特性、载荷情况等确定单元体内任意一点的位移插值函数。 (2)单元分析：根据弹性力学的几何方程以及物理方程确定单元的刚度矩阵。 (3)整体分析:把各个单元按原来的结构重新连接起来，并在单元刚度矩阵的基础上确定结构的总刚度矩阵，形成如下式所示的整体有限元线性方程： {}[]{}δ F=① K 式中，{}F是载荷矩阵,[]K是整体结构的刚度矩阵,{}δ是节点位移矩阵。 (4)载荷移置:根据静力等效原理，将载荷移置到相应的节点上，形成节点载荷矩阵。 (5)边界条件处理:对式①所示的有限元线性方程进行边界条件处理。 (6)求解线性方程:求解式①所示的有限元线性方程，得到节点的位移。在该步骤中，若有限元模型的节点越多，则线性方程的数量就越多，随之有限元分析的计算量也将越大。 (7)求解单元应力及应变根据求出的节点位移求解单元的应力和应变。
基于有限元算法的编程实践 学号：2011043010031 姓名：廖校毅 电子科技大学物理电子学院 【摘要】本文就有限元算法在电磁场分析中的应用展开研究与实践，从电磁场的Maxwell方程出发,根据电磁场的边值问题及变分公式建立了有限元方程组。具体在实践中，将这些知识运用到C++语言和Matlab 中，并将这两种语言有机结合，编程并实现二维FEM。程序最后通过计算含两种介质的电位槽电位分布来验证其正确性。 关键词: 有限元变分法C++ Matlab The Programming Practice Based on The Finite Element Algorithm Student ID：2011043010031 Name：Liao Xiaoyi University of Electronic Science and technology &School of Physical Electronics Abstract In this paper, we take the application of finite element method in electromagnetic field analysis into research and practice. Starting from Maxwell equations of electromagnetic field, the electromagnetic field boundary value problems and variational formula established the finite element equations. In specific practice, this knowledge will be applied to the C++ language and Matlab, and the organic combination of two languages, programming and implementation of two-dimensional FEM. Finally, through the program to verify the validity of the calculation of potential distribution in channel potential containing two kinds of medium. Key words The finite element method The variational method C++ Matlab 一、前言 在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求得偏微分方程边值问题近似解的数值技术。它通过变分方法[1]，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆 的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上 的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然 后推导求解这个域总的满足条件(如结构的 平衡条件），从而得到问题的解。这个解不 是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。因其理论依据的普遍性，作为一种声誉很高的数值分析方法，,已被普遍推广并成功地用来解决各种结构工程、热传导、渗流、流体力学、空气动力学、土壤力学、机械零件强度分析、电磁工程问题等，并且大量可靠的基于有限元算法的软件如