1问题描述 某周边简支非均匀的矩形（或圆形）板在均布载荷作用下挠度过大。结合实际，提出集中改进设计方案，并进行对比分析。 2.问题分析 不均匀板有两种主要的情况，结构不均匀和材料不均匀，结构不均匀是指板的厚度不是常量，材料不均匀体现在板的弹性模量和泊松比是变化的。另外，有的板可以是以上两种情况的混合情形。 不均匀板与均匀板的有限元问题有哪些差别呢？下面从均匀板问题推导出非均匀板有限元问题的解决方法。 2.1应力应变 先以结构不均匀板为例来讨论。假设一矩形板长为2，宽为2，厚度沿x ，y 不均匀，由一函数()h ,h x y =描述，但仍然符合薄板假设。对于均匀板，显然h 是一个常数。设挠度为()=x,y ωω，则板内应变向量可以表示为 {}2222211==z 1 2x x y y xy xy x z y x y ρεεεω εγγ?????????????????????????? ?=-???????????????????????? ?????????? 应力应变关系为 {}1p z D σρ????=? ????? 弯矩扭矩矩阵 {}{}()() h ,2h ,2 x y x y M zdz σ-=? 这里就体现出不均匀板和均匀板的区别了。积分完毕后，可以得到 {}[]1M D ρ?? =????
其中薄板的弯曲系数矩阵 []()()()3 21 ,101210 1/2Eh x y D μ μμμ?? ??=??-??-?? 是关于薄板总体坐标的函数，所以对各个分单元都是不同的。 各单元的弯曲系数矩阵可以采用单元中心处的代替。那么就可以得出一系列的弯曲系数矩阵[]D e i 。如果单元划分得足够细，是可以代替真实解的。 2.2单元分析 可以将板分为边长为0.25的矩形小单元，每一个单元都是一样的。对于任何一个单元的节点，都有3项独立的位移 {}i i i xi i yi i w w w y w x δθθ???? ? ???????????? ==???? ??????????? ??????- ???????? 位移模式 ()223123456722333 89101112,w x y x y x xy y x x y xy y x y xy αααααααααααα=+++++++ ++++ 形状函数矩阵是一个112?的行向量 ()[],k l m n N x y N N N N =???? 其中 222222222 2 22222211128111111i i i i i i i i i i i i i x x y y x x y y x y N a b a b a b x x y y y y x x y y x x y x a b b a b a ? ??????=++++--?? ? ????????????? ? ????????????++--++-? ??? ? ? ????????????????? (),,,i k l m n = 单元刚度矩阵 [][][][]1212e e T S k B D B dxdy ?=? 很明显，积分式中包含了弹性系数矩阵，而不同单元的弹性系数矩阵是不同的，所以， 即便单元划分相同，得到的单元刚度矩阵也不同。对于均匀板，相同形式的单元，刚度矩阵
half 重登录 隐身 控制面板 搜索 状态 展区 振动博客 论坛服务 退出 振动论坛 → 专题讨论区→ 噪声分析及控制→声学基础理论→[转帖]基于有限元和边界元的噪声 分析 复制本页地址 粘贴我的收件箱 (0) 您 是本帖的第42个阅读者 标题：[转帖]基于有限元和边界元的噪声 分析树形 打印 收藏 推荐 提交网摘 等级：本科生 威望：18 现金：308 经验：1107 魅力：627 文章：109 注册： 2005-07-24 活跃度： 活跃等级：①年迈乌龟 在线等级： van321 ▼楼主 物体受到激励后，必将会产生振动，由物体的振动而引起与之相接触的流体的振动（如空气），从而在流体中产生噪声。对流体的噪声分析可以在频率域内或者时间域内进行，可以采用流体与结构耦合的形式进行分析，也可以只采用流体的形式进行计算分析，可以计算内声场也可以计算外声场，例如对于汽车而言，可以计算内声场，也可以计算外声场。在低频范围内采用边界元或者有限元的方法，在高频内采用统计能量的方法，计算结果包括声场中任意一点处的声学响应，如声压、声强、声功率，还可以是某点处的响应函数，如声压函数、模态贡献量函数，还可以进行一些特殊的分析，如声学传递矢量分析、面板贡 献量分析和灵敏*分析，以及高频域内的统计 能量分析。 如图所示是某轿车的排气系统的有限元声学模型，图所示是该排气系统中消声器的声学 模型。 [转帖]基于有限元和边界元的噪声分析
排气系统的声学模型
消声器的声学模型 ?声学模态分析 声学模态类似于结构模态，声波在流体团中传播时，会引发流体的振荡，流体的振荡也是有一定的固有频率和振动样式（振型），通过声学模态计算可以计算出流体的声学共振频率，防止流体和流体周围的结构产生共振而引发共鸣。 图所示是排气系统的声学模态云纹图。
《有限元基础教程》作业二：平面薄板的有限元分析 班级：机自101202班 姓名：韩晓峰 学号：201012030210 一．问题描述： P P h1mm R1mm 10m m 10mm 条件：上图所示为一个承受拉伸的正方形板，长度和宽度均为10mm ，厚度为h 为1mm ，中心圆的半径R 为1mm 。已知材料属性为弹性模量E=1MPa ，泊松比为0.3，拉伸的均布载荷 q ＝1N/mm 2。根据平板结构的对称性，只需分析其中的二分之一即可，简化模型如上右图所 示。 二．求解过程： 1 进入ANSYS 程序 →ANSYS 10.0→ANSYS Product Launcher →File management →input job name: ZY2→Run 2设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK 3选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4node 42 →OK → Options… →select K3: Plane Strs w/thk →OK →Close 4定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX: 1e6, PRXY:0.3 → OK 5定义实常数以及确定平面问题的厚度 A NSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants …→Add/Edit/Delete →Add →Type 1→OK →Real Constant Set No.1,THK:1→OK →Close 6生成几何模型 a 生成平面方板 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Rectangle →By 2 Corners →WP X:0,WP Y:0,Width:5,Height:5→OK b 生成圆孔平面 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Circle →Solid Circle →WPX=0,WPY=0,RADIUS=1→OK b 生成带孔板 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Operate →Booleans → Subtract →Areas →点击area1→OK →点击area2→OK 7 网格划分 A NSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool →(Size Controls) Global: Set →SIZE: 0.5 →OK →iMesh →Pick All → Close
北京工商大学学报（自然科学版） 左右的蒙板，纵横各４块，下蒙板为２ｍｍ厚半径为 １４０ ｍｍ的球冠型薄板．球冠型蒙板与侧板之间的 密封槽和密封圈结构对计算影响较小，忽略为球冠型下蒙板与边缘平板直接连接的结构．所有的薄板的连接均采用粘结方式，便于各薄板分别划分网格． 容器盖上附有耳子、安全连锁及钩锁，均焊接在容器盖的侧蒙板上．安全连锁的锁片和锁舌虽是接触关系，但工作状态下二者一直处于接触状态，简化为粘贴关系Ｉ钩锁结构的两钩接触面上建立接触对． 容器盖上有通气管和安全卸压装置，因工作压力下这些装置处于关闭状态，故简化模型将其忽略． 鉴于简化后的压力容器盖的对称性，取其一半建立有限元模型，如图１，图２为安全连锁模型图． 图１有限元模型 点的正确联结，从而保证计算精度．如本文压力容器盖就应首先对上下蒙板划分网格，其次是肋板和侧板． 单元边长应小于等于板厚度，或通过建立相似模型进行简单试计算，验证结果的精确性来确定网格大小．在对压力容器盖划分网格前，单独建立上蒙板模型，单元边长设置为２ｍｍ，进行１００℃恒温热应力分析，ＡＮＳＹＳ分析结果位移值与计算结果基本相同，所以设置压力容器盖的单元边长为２ｍｍ 即可满足计算精度要求． 耳子、安全连锁及钩锁是主要承力构件，细化耳子与容器盖的连接处以及安全连锁的螺钉和钩锁结构的销钉的网格，从而确保分析结果更加精确．２．２求解及结果分析 ２．２．１温度场分析 忽略容器盖向空间辐射的热量及肋板中间空隙的空气对流，下蒙板温度边界条件１０５℃，外界为４０℃空气对流，对流系数为１２．５Ｗ／（ｍ?℃），环境温度为２０℃，稳态分析，结果如图３、图４． 图３热分析整体结果温度 图ｚ安全连锁 ２．１．２单元选择及网格划分 一般的有限元计算及分析可采用的单元类型都不只一种，分析时可按照计算要求、载荷情况及预期结果等因素进行选择． 文中模型结构不规则，计算精度要求高，所以选择六节点四面体单元Ｓｏｌｉｄ８７和二十节点四面体单图４热分析肋板组元结果温度 元Ｓｏｌｉｄ９２分别进行热分析和结构分析的网格划 ２．２．２热应力分析 分． 耳子是压力容器盖与压力容器基座固定和连接 薄板结构的网格划分应当首先从最薄的板开 的装置，设定耳子轴孔各方向位移都为０；因安全连始，依次单个进行，以保证网格的精度要求和边界节 锁的锁舌可在固定的锁孔里沿ｚ、ｚ向滑动，但建模
X边界条件和载荷 10.1边界条件 施加的力和/或者约束叫做边界条件。在HyperMesh中，边界条件存放在叫做load collectors的载荷集中。Load collectors可以通过在模型浏览器中点击右键来创建(Create > Load Collector)。 经常（尤其是刚开始）需要一个load collector来存放约束（也叫做spc-单点约束），另外一个用来存放力或者压力。记住，你可以把任何约束（比如节点约束自由度1和自由度123）放在一个load collector中。这个规则同样适用于力和压力，它们可以放在同一个load collector中而不管方向和大小。 下面是将力施加到结构的一些基本规则。 1.集中载荷（作用在一个点或节点上） 将力施加到单个节点上往往会出现不如人意的结果，特别是在查看此区域的应力时。通常集中载荷（比如施加到节点的点力）容易产生高的应力梯度。即使高应力是正确的（比如力施加在无限小的区域），你应该检查下这种载荷是不是合乎常理？换句话说，模型中的载荷代表了哪种真实加载的情形？ 因此，力常常使用分布载荷施加，也就是说线载荷，面载荷更贴近于真实情况。 2.在线或边上的力 上图中，平板受到10N的力。力被平均分配到边的11个节点上。注意角上的力只作用在半个单元的边上。
上图是位移的云图。注意位于板的角上的红色“热点”。局部最大位移是由边界效应引起的（例如角上的力只作用在半个单元的边上），我们应该在板的边线上添加均匀载荷。 上述例子中，平板依然承受10N的力。但这次角上节点的受力减少为其他节点受力的一半大小。 上图显示了由plate_distributed.hm文件计算得到的平板位移的云图分布。位移分布更加均匀。 3.牵引力（或斜压力） 牵引力是作用在一块区域上任意方向而不仅仅是垂直于此区域的力。垂直于此区域的力称为压力。
边界元与有限元 边界元法boundary element method 定义：将力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解的数值方法。 所属学科：水利科技(一级学科) ；工程力学、工程结构、建筑材料(二级学科) ；工程力学（水利）(三级学科) 边界元法（boundary element method）是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元,用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少,数据准备简单等优点.但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。 简介 边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方法。又称边界积分方程-边界元法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，由于降低了问题的维数，而显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数，而具有解析与数值相结合的特点，通常具有较高的精度。特别是对于边界变量变化梯度较大的问题，如应力集中问题，或边界变量出现奇异性的裂纹问题，边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件，因而边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。边界元法的主要缺点是它的应用范围以存在相应微分算子的基本解为前提，对于非均匀介质等问题难以应用，故其适用范围远不如有限元法广泛，
第三章 空间问题的有限元方法 引言 许多工程实际问题，属于空间问题，由于结构形状或受力的复杂性，用 经典弹性理论去求解它们的解析解是不可能的。 而有限元法处理此类问题， 原则 上不存在什么困难，本章将介绍一般空间问题的四面体单元。 一般空间问题的有限元列式 3.2.1 单元位移模式及插值函数 空间问题中，每个单元有四个结点，编码为 i,j,m,p 。每个结点有 3 个位移分量。每个结点 的位移可用位移矢量 i 表示，即 u i i v i (i , j ,m, p) w i 单元结点的位移向量可表示为 i e j u i v i w i u j v j w j u m v m w m u p v p w p T m p e 为单元结点位移列阵。 假设单元内的位移模式选取一次多项式 u 1 2 x 3 y 4 z v 5 6 x 7 y 8 z （3.2.1 ） w 9 10 x 11 y 12 z 由于四个结点也在单元内，满足位移模式，于是得 u i 12 x i 3 y i 4 z i u j 1 2 x j 3 y j 4 z j （ 3.2.2 ） u m 1 2 x m 3 y m 4 z m u p 1 2 x p 3 y p 4 z p 上式是关于 1 , 2, 3, 4 的线性方程组。 1, 2 , 3, 4 是待定常数，也称为广义坐
标。它可由（ 3.2.2 ）式求出。上式的系数行列式是 1x i y i z i 1x j y j z j 2V（3.2.3 ） D x m y m z m 1 1x p y p z p 上式中当 i,j,m,p 的编号顺序满足右手法则， V值为正，其大小为四面体体积，因此为了方便单元的编号一般满足右手法则。求得1 , 2 , 3 , 4后,回代入位移模式得 u N i u i N j u j N m u m N p u p(3.2.4) 式中 N i 1 (a i b i x c i y d i z)(i , j, m, p) (3.2.5) 6V x j y j z j a i x m y m z m x p y p z p 1y j z j b i1y m z m 1y p z p 1x j z j c i 1x m z m(i , j , m, p) （3.2.6） 1x p z p 1x j y j d i1x m y m 1x p y p 上式下标 (i ,j , m, p) 轮换，可得 a j , b j ,c j , d j, a m ,b m ,c m , d m及 a p , b p , c p ,d p。同理 , 也可得到其它两式 , 于是得 u N i u i N j u j N m u m N p u p v N i v i N j v j N m v m N p v p（ 3.2.7）
内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究 * 孙 军 汪景峰 桂长林 (合肥工业大学机械与汽车工程学院 合肥 230009) 摘 要:有限元方法已经成为内燃机零部件应力和变形计算的主要手段,但是目前在内燃机零部件有限元分析中采用的边界条件是否合理,有无必要采用更符合实际的边界条件?本文以曲轴为例,模拟实际 状况,采用不同的边界条件进行了有限元计算。计算结果表明,边界条件处理对曲轴有限元分析结果影响很大。因此,为了提高内燃机零部件有限元计算结果的精度,非常有必要根据实际情况确定边界条件。 关键词:边界条件 有限元 内燃机中图分类号:TK412.4 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2005)03-0006-03 Study on Boundary Condition in Finite Ele ment Calculation for Parts of Internal Co mbustion Engi ne Sun Jun ,W ang Jingfeng ,Gui Changlin H efeiUn i v ersity of Techno l o gy (H efei 230009) Abst ract :The fi n ite ele m ent m et h od has beco m e the m a i n m eans to calcu late t h e stress and de f o r m ation o f parts for inter na l co m bustion engine .Bu,t whether the boundary conditi o ns used i n FE ana l y sis on parts o f i n -ter nal co m busti o n eng ine are reasonable ?Is it necessary to use the boundary condition ,wh ich ism ore adapta -b le to the facts ?As an exa m p le ,the crankshaft is ca lculated by FE usi n g d ifferent boundary conditi o ns that si m ulate factual conditi o ns .The resu lts sho w t h at the boundary conditi o ns have i m portant effects on the results of FE analysis o f crankshaf.t Therefo re ,it is necessary to choose boundary cond itions acco r d i n g to factua l con -d iti o n i n o r der to i m prove the prec isi o n of calcu l a ti n g resu lts for parts o f i n ternal co m bustion eng i n e .K eyw ords :Boundary conditi o n ,F i n ite ele m en,t I C eng i n e 前言 随着有限元计算技术的进步,有限元方法目前已 经成为内燃机零部件应力和变形计算的主要手段。内燃机零部件的有限元分析,类似于其他问题的有限元分析,边界条件的处理是否合理直接影响计算结果的精确性。本文以曲轴为例,分析目前采用的边界条件是否合理,有无必要采用更符合实际的边界条件。 目前在曲轴有限元计算中,载荷边界条件的处理(重点是作用在轴颈表面的力处理)基本采用的是定 型模式,其假设作用在轴颈上的载荷(其与曲轴轴承油膜压力对应)为分布载荷,沿轴线方向均布或呈抛物线分布,沿圆周方向呈余弦分布 [1~4] 。这种处理方 法简单易行,但其属于较理想的状况,因为实际曲轴轴承的油膜压力分布规律复杂,且随时间变化。沿轴向抛物线型的油膜压力分布规律仅适合于无限短且轴颈轴线与轴承孔中心线平行的滑动轴承,实际的曲轴轴承为有限长轴承,且由于受到诸多因素的影响,如载荷作用下轴的变形、轴承的制造与装配误差和轴的热变形 * 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175023) 作者简介:孙军(1960-),男,硕士,研究方向,内燃机现代设计理论与方法。 第34卷 第3期2005年6月小型内燃机与摩托车 S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLE Vo.l 34No .3 June .2005
第四章 空间问题的有限元 在工程问题中，有些结构形状非常复杂，必须按照空间问题来求解。由于4节点四面体单元可以很好的模拟几何体的边界形状而被广泛使用。因此本章将介绍此种单元及8节点六面体单元。 §4.1 空间问题的离散化 在工程实际中，有些结构由于形体复杂，并且三个方向的尺寸同量级，必须按空间问题求解。空间问题有限元法的原理、思路和解题方法完全类同于平面问题的有限元法，所不同的是它具有三维特点。它所采用的离散化模型仍然是由若干单元在节点处连接而成的，而且节点仍为铰接，但是这些单元具有块体形状。它的基本未知量是节点位移，有3个分量：,,u v w 。它的分析方法仍然是先进行单元分析，再进行整体分析，最后求解整体平衡方程。但必须指出，由平面问题转换为空间问题给有限元分析带来了两个主要困难： 1、空间结构离散不像平面问题直观，当人工离散时很容易产生错误。 2、未知量的数量剧增，对于比较复杂的空间问题，计算机存储容量和计算机费用都会产生问题。 为解决上述两个问题，前者可通过寻找规律，建立网格自动生成前处理程序来克服，而后者则可采用高阶元以提高单元精度，达到减少未知量和节省机时的目的。 §4.2常应变四面体单元 §4.2.1位移函数 图4-1所示为四面体单元，以四个角点i ，j ，m ，l 为结点，每个结点有三个自 由度，因此由广义坐标给出的线性位移函数为 000000u ??β?β??? ??==?? ???? (4.2.1) 其中[]1x y z ?= 图4-1 四面体单元 []1212T ββββ=L 把四个节点坐标代入(4.2.1)式时，可得
{}000 000A q A A A ββ?? ??==?? ??? ? %%% (4.2.2) 其中{}T i i i j j j m m m l l l q u v w u v w u v w u v w ??=?? 1111i i i j j j m m m l l l x y z x y z A x y z x y z ??????=??? ??? % 由(4.2.2)式求出 {}1A q β-=% (4.2.3) 将(4.2.3)式代入(4.2.1)式后，则有 {}{}1i j m l u B A q N N N N q -??=Φ=Φ=I I I I ??&% (4.2.4) 其中100010001????I =?? ???? ()1 6i i i i i N a b x c y d z V = +++ ()1 6j j j j j N a b x c y d z V =- +++ ()1 6m m m m m N a b x c y d z V = +++ ()1 6l l l l l N a b x c y d z V =- +++ 称为形函数，它们的系数为 i j j i m m m l l l x y z a x y z x y z = 1 11j j i m m l l y z b y z y z = 111 j j i m m l l x z c x z x z = 111j j i m m l l x y d x y x y =
板中圆孔的应力集中 问题：如图所示为一个承受单向拉伸的无限大板，在其中心位置有一个小圆孔。材料属性为弹性模量E=Pa，泊松比为0.3，拉伸载荷q=1000Pa，平板厚度t=0.1. 1、定义工作名和工作标题 （1）定义工作文件名：在弹出的Change Jobname对话框中输入Plate。选择New log and error files复选框，单击OK按钮。 （2）定义工作标题：在弹出的的Change Title对话框中输入The analysis of plate stress with small circle,单击OK按钮。 （3）重新显示：执行replot命令。 2、定义单元类型和材料属性 （1）选择单元类型：在弹出的Element Type中，单击Add按钮，弹出所示
对话框，选择Structural Solid和Quad 8node 82选项，单击OK，然后 单击close。 （2）设置材料属性：在弹出的define material models behavior窗口中，双击structural/linear/elastic/isotropic选项，弹出linear isotropic material properties for material number 1对话框，EX和PRXY分别输入2e11和 0.3，单击OK，执行exit命令。 （3）保存数据：单击SAVE_DB按钮。 3、创建几何模型 （1）生成一个矩形面：执行相应操作弹出create rectangle by dimensions对话
框，输入数据，单击OK，显示一个矩形。 （2）生成一个小圆孔：执行创建圆的操作弹出对话框，输入数据，单击OK，生成一个圆。 （3）执行面相减操作：执行Booleans/Subtract/Areas命令，生成结果如图示。 （4）保存几何模型：单击SAVE_DB按钮。 4、生成有限元网格（自由网格划分） （1）设置网格的尺寸大小：执行size cntrlsl-global-size命令，弹出对话框，在element edge lenge文本框中输入0.5，单击OK. （2）采用自由网格划分：执行mesh/areas/free命令，生成网格模型如图示。 （3）保存结果：单击SAVE_DB按钮。 5、施加载荷并求解
第26章MasterFEM 教程:定义边界条件 前面的教程简单介绍了仿真分析的流程。本篇将介绍更多高级定义边界条件的内容（载荷和约束）。 用户将学会: ?创建约束和约束集。 ?创建载荷和载荷集。 ?创建边界条件集。 ?解算定义以上边界条件的模型。 ?创建均布载荷。 ?解算定义以上边界条件的模型。 ?比较不同工况下的结果。 开始前必备知识： 熟悉MasterFEM界面和创建零件。 熟悉在模型文件中管理零件。 熟悉拉伸特征和旋转特征的布尔运算。 熟悉仿真分析流程。 熟悉自由网格划分。 设置1/3 如果还没有运行一个新的模型文件,创建一个新文件并命名。 ·1·
·2· File Open 打开模型文件菜单 确信用户是在以下工作状态和任务当中 : 设置工作单位为毫米(mm) Options Units 设置2/3 工作内容：按照以下尺寸草绘封闭形状的图形。 提示 : 为什么：这个零件代表了典型机构连杆的应力集中部位。
工作内容: 命名零件 提示： 命名菜单 设置3/3 工作内容：创建一个和零件关联的有限元模型（FEM1）。 提示 保存模型文件。 File Save 警告！ 如果软件提示用户保存模型文件，用户应选择：No 记住：只有教程中提示保存模型文件，而不是软件提示保存的时候，用户才可以执行保存文件操作。 为什么： 在上一次保存以后的错误操作不能撤销恢复,用户可以选择重新打开文件，恢复到上一次保存时的状态。 提示： ·3·
重新打开模型文件的快捷键：按Control-Z。 创建约束和约束集1/3 工作内容：全约束以下高亮表面。 怎样做： 表面上定义约束的菜单 OK 创建约束和约束集2/3 注意事项： 会产生约束符号。 在几何边缘、表面、顶点的约束用不同的颜色和符号表示。 ·4·
首先，从五个方面进行有限元和无网格方法比较，分别是网格划分、形函数的产生、边界条件、系统离散方案、系统方程的求解： 1、网格划分 有限元方法：连续体被划分成由有限个称作单元的小网格组合而成的离散结构。单元划分是前处理过程中非常重要的部分, 通常占整个分析过程中大部分时间。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。 无网格方法：问题域由一系列任意分布的节点来代替, 不需要用单元或网格来进行场变量插值, 也无须描述节点之间的关系。节点的生成可完全由计算机自动完成, 这大大节省了分析人员的时间, 也相对较容易在分析过程中对节点进行重新划分。几何体边界是由节点替代(而非离散) , 如图1所示，两个节点之间的任意一点可由近似函数插值。 (a)有限元法中光滑曲线边界由三角形直线边代替(b)无网格法中光滑边界由节点替代 图1 网格-节点示意图 2、形函数的产生： 有限元法和无网格法都可从哈密尔顿原理推出, 它们之间最关键的区别是形函数的构造。有限元法：形函数是定义于单元的局部近似函数，因此函数的连续性、光滑性在网格的分界处必然受到限制，计算后还需要进一步的后处理。形函数可以直接插值得到，故相对较容易构造且相同类型的单元具有相同的形函数。 无网格方法：形函数是围绕每一个节点建立插值函数构成的，不同的点具有不同的形函数，形函数定义于全域，具有较好的连续性和光滑性，不需要后处理过程。 3、边界条件 有限元法：施加边界条件并不很困难, 通常在网格划分时使网格形式满足边界条件特点, 本质边界条件可直接加在节点上。 无网格方法：本质边界条件不仅依赖边界点，而且也与内部点有关，无网格法不能直接施加本质边界条件都是用离散的点来代替连续的边界值，这样会给本质边界条件的精确实现造成困难。，拉格朗日乘子法和罚函数法是两种基本的方法。
对有限元法、有限差分法、边界元法和模拟电荷法的粗略总结: 有限元法（finite element method）：将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。缺点是有限元必须同时对所有域内节点和边界节点联立求解，待求未知数多，要求解的方程规模大，导致输入数据多，计算的准备工作量大。 有限差分法（finite difference method）：直接从微分方程出发，将求解区域划分为网格，近似地用差分、差商代替微分、微商，于是无限度的问题化成有限自由度的问题。这种方法在解决规则边界的问题时极为方便，但是正是由于这种限制而增加了它的局限性，即对于非规则边界的问题适用性较差。 边界元法（boundary element method）：边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，由于降低了问题的维数，而显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数，而具有解析与数值相结合的特点，通常具有较高的精度。特别是对于边界变量变化梯度较大的问题，如应力集中问题，或边界变量出现奇异性的裂纹问题，边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件，因而边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。边界元法的主要缺点是它的应用范围以存在相应微分算子的基本解为前提，对于非均匀介质等问题难以应用，故其适用范围远不如有限元法广泛，而且通常由它建立的求解代数方程组的系数阵是非对称满阵，对解题规模产生较大限制。对一般的非线性问题，由于在方程中会出现域内积分项，从而部分抵消了边界元法只要离散边界的优点。 模拟电荷法（charge simulation method）：在实际工程计算中，电极表面上连续分布的束缚电荷的分布情况是未知的，不能直接由给定的边界条件解出。如果在计算场域之外设置n个被称为模拟电荷的离散电荷来等效代替这些待求的连续电荷分布，则根据等值替代前后条件不变的前提条件，即可求得各模拟电荷的量值，从而使场域内任意一点的电位与场强便可由各模拟电荷所产生的场量叠加而获得，以此作为原场的逼近解。相比较于有限元法和有限差分法，模拟电荷法的优点是无需封边、使计算问题的维数降低一维、能直接求解出场域内的任意点的场强、计算精度高。
有限元部分 1.什么是单元的协调性和完备性要求？为什么要满足这些要求？平面问题三角形单元如何满足这些要求？矩形4节点平面单元呢？ 2.对于平面3节点三角形单元，如果在单元内假定位移模式为 22 12322456αααααα?=++?=++? u x xy y v x xy y 试讨论此时单元的形状函数矩阵、单元刚度矩阵以及这种单元的特征。 3.就平面梁单元而言，在刚体位移的状态下，讨论刚度矩阵的性质。 4.一般情况下，有限元方法总是过高计算了结构的刚度，因而求得的位移小于真实解，为什么？如果单元不满足协调性要求，情况如何？为什么？ 5.证明：单元的常应力项或常应变项是保证收敛性的前提条件。 6.对于弹性结构，若给定的荷载列阵为{}P ，对应的位移列阵为{}d ，则势能泛函中的外力 功为{}{}T P d ，但静力加载过程中做的功为1 {}{}2T P d ，为什么？ 7.证明：单元的刚度矩阵是半正定的。 8.证明面积坐标与直角坐标满足下列转换关系 =++??=++? i i j j k k i i j j k k x x L x L x L y y L y L y L 9.证明二维平行四边形单元的Jacobi 矩阵是常数矩阵。 10.为什么虚位移原理可适用于线性与非线性问题，而最小势能原理只适用于线弹性问题？ 11.用最小势能原理推导单元刚度矩阵。 12.如图3个三角形单元，画出完整多项式各项的Pascal 三角形。 13.证明常应变三角形单元形函数N j 在j 、k 边界上的值与i 节点坐标无关。 14.证明常应变三角形单元发生刚体位移时，不会在单元内产生应力。 15.证明常应变四面体单元是完备协调元。 16.证明常应变四面体单元是等参元。 17.证明常应变三角形单元形函数满足1=∑i i N 。 18.导出矩阵[]ij H 、[]ij G ()=i j 中元素H 12和G 11的表达式。 19.推证格林公式。 20.试由,,()0λ+++=i ij j ii j G u Gu b ，写出其直角坐标表达式。 21.试由弹性力学平面应变问题的应力基本解，写出沿坐标原点y 方向有单位集中力作用时应力分量的直角坐标表达式。
车辆薄板有限元分析中的多因子不完全分解 预处理解法 姚 松 田红旗 1中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙，410075 dynacn@https://www.doczj.com/doc/f316357448.html, 摘要：薄板是轨道车辆结构的主要形式，本文基于离散Kirchhoff 假设的DKT 弯曲板单元推导了四边形弯曲板单元DKQ 的构造过程，并进一步阐述了用于一般薄板问题分析的平板单元的构造。提出了一种“多因子不完全分解” 的预处理方法，与共轭梯度迭代法结合能够大大加快薄板问题大型稀疏方程组的收敛速度，经过数值试验，说明该方法是稳定可靠的。该方法避免了常规不完全分解不适用于薄板这样的 “病态”结构的情况。在此基础上，编写了一般薄板问题分析的有限元程序，程序对结构刚度矩阵采用压缩存贮的方法，节约了大量内存空间。本文还对分解算法中的可选参数进行了优化研究。通过一个数值试验，本程序计算结果与商业有限元软件ANSYS5.7的结果完全一致。 关键词：薄板结构，DKQ 单元，预处理，不完全分解，共轭梯度法 1 概 述 有限元单元法已经成为结构分析的重要方法，薄板结构是轨道车辆的主要结构形式，因此薄板结构有限元分析已成为车辆结构分析中的重大课题。早期的弯曲板单元大多基于经典的薄板理论，在以该理论为基础的板单元的能量泛函中，包含位移的二阶偏导数，要求位移为类连续。这给构造板单元带来了困难，由此研究人员将注意力转向了中厚板单元，大多采用中厚板理论，其能量泛函仅包含位移的一阶导数，只要求位移是类连续，但是用厚板理论建立的单元仅对中厚板有效，当板逐渐变薄时，单元刚度矩阵中的剪切项占主导地位，计算出的弯曲变形远小于实际变形；当板非常薄时，求得的位移趋向于零，从而产生了“剪切闭锁”现象。 1C issner Mindlin Re ?0C 基于离散的假设， 通过挠度和转角分别独立插值，然后在若干个离散点上强迫挠度与转角满足薄板经典理论中的约束，构造出三角形（DKT ）和四边形（DKQ ）薄板弯曲单元，其泛函的表达式又回复为经典薄板理论的泛函表达式，又自然解决了“剪切闭锁现象”问题。多个文献表明DKT 元与DKQ 元在求解薄板弯曲问题时都显示出良好的性能，具有较高的精度。在对实际车辆结构进行有限元分析时，由于结构受力复杂，在承受板平面内的载荷的同时，也有可能板平面外的载荷，因此在进行分析时所采用的平板单元是平面应力单元与DKT 弯曲单元的组合而成。由于三角形平面应力单元为常应变单元，为了提高分析的精度，在本文中我们讨论由四边形膜单元和DKQ 单元组合而成的平板单元。 Kirchhoff Kirchhoff 1 教育部博士点基金（20020533007）项目资助 1https://www.doczj.com/doc/f316357448.html,
有限元在传热学中的应用 ——温度场的有限元分析 摘要：热分析在许多工程应用中扮演着重要角色。有限元法是热分析中常用，高效的数值 分析方法。利用有限元法可以求解传热学中温度场的重要参数，在材料成型中，在铸造这一块有着重大意义。 1、有限元法的应用： 有限元法是随着电子计算机的发展迅速发展起来的一种现代计算方法，首先在连续力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后也很广泛用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。在传热学中，如果导热物体的几何形状不规则，边界条件复杂，很难有解析解。解决这类问题的最好办法就是数值解法，而数值解法中最具实用性和使用最广泛的就是有限单元法。 2、有限元数值解法的基本思路： 将连续求解区域减走势只在节点处相连接的一组有限个单元的组合体，把节点温度作为基本未知量，然后用插值函数以节点温度表示单元内任意一点处温度，利用变分原理建立用以求解节点未知量（温度）是有限元法方程，通过求解这些方程组，得到求解区域内有限个离散点上的温度近似解，并以这些温度近似解代替实际物体内连续的温度分布。随着单元数目的增加，单元尺寸的减少。单元满足收敛要求。近似解就可收敛于精确解。 3、有限元数值解法的基本步骤 有限元法在工程实际中应用的广泛性和通用性，体现在分析许多工程问题是，如力学中的位移场和应力场分析，传热学中的温度场分析，流体力学中的流场分析，都可以归结为给定边界条件下求解其控制方程的问题，虽然各个问题中的物理性质不同，却可采用同样的步骤求解。具体步骤为（1）：结构离散。（2）：单元分析。（3）：整体分析。（4）：边界条件处理与求解。（5）：结果后处理。 有限元分析实际问题的主要步骤为：建立模型，推倒有限元方程式，求解有限元方程组，数值结果表述。 4、用于传热学的意义 有限元法作为具有严密理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，近年来，以由弹性平面问题扩展到空间问题，板壳问题。从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；它在工程技术中的作用，已从分析和校核扩展到优化设计。并和计算机辅助设计相结合，形成了完整的计算机辅助设计系统。它解决了传热学中边界条件复杂或呈非线性，有均匀内热源等传统方法无法求解的问题。 温度场方程
： P P h 1mm R1mm 10m m 10mm 条件：上图所示为一个承受拉伸的正方形板，长度和宽度均为10mm ，厚度为h 为1mm ，中心圆的半径R 为1mm 。已知材料属性为弹性模量E=1MPa ，泊松比为0.3，拉伸的均布载荷q ＝ 1N/mm 2。根据平板结构的对称性，只需分析其中的二分之一即可，简化模型如上右图所示。 二．求解过程： 1 进入ANSYS 程序 →ANSYS12.0→ANSYS Product Launcher →File management →input job name: ZY2→Run 2设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK 3选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4node 42 →OK → Options… →select K3: Plane Strs w/thk →OK →Close 4定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX: 1e6, PRXY:0.3 → OK 5定义实常数以及确定平面问题的厚度 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants …→Add/Edit/Delete →Add →Type 1→OK →Real Constant Set No.1,THK:1→OK →Close 6生成几何模型 a 生成平面方板 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Rectangle →By 2 Corners →WP X:0,WP Y:0,Width:5,Height:5→OK b 生成圆孔平面 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Circle →Solid Circle →WPX=0,WPY=0,RADIUS=1→OK b 生成带孔板 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Operate →Booleans → Subtract →Areas →点击area1→OK →点击area2→OK 7 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool →(Size Controls) Global: Set →SIZE: 0.5 →OK →iMesh →Pick All → Close 8 模型施加约束 a 分别给左边施加x 和y 方向的约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement →