有限元复习
（每题1分，共10分） （每空1分，共10分） （每空1分，共
10分） （共44分）共6题 （共26分）两题
1. 平面应力/平面应变问题；空间问题/轴对称问题；杆梁问题;线
性与非线性问题
平面应力问题
（1）均匀薄板（2）载荷平行于板而且沿厚度方向均匀分布 在六个应力分量
中，只需要研究剩下的平行于XOY 平面的三个应力分量，
即（J A .、 （J y > T xy = T yx （ = 0, T zx = T xz = 0,么，=^=0）。
一般A =Q , &并不一定等于零，但可由&及&求得，在分析问题时不必
考虑。丁?是只需耍考虑&三个应变分量即可。
平面应变问题
（1）纵向很长，且横截面沿纵向不变。（2）载荷平行于横截面且沿纵向 均
匀分布
么=么=
么=0只剩下三个应变分量么' 么' 么。也只需要考虑
A' ~三个应力分量即可
轴对称问题
物体的儿何形状、约束情况及所受外力都对称于空间的某一根轴。
轴对称单元的特点（与平面三角形单元的区别）：轴对称单元为岡环体，单
元与单元间为节圆相连接；节点力与节点载荷足施加于节圆上的均布力：单元边 界是一冋转面；应变不是常量。在轴对称问题中,周向应变分量&是与r 有关。 板壳问题
一个方向的尺、r 比另外两个方向尺、r 小很多，且能承受弯矩的结构称为板壳
结构，并把分板壳结构上下表而的而称为屮而。如果屮而是平而或平而组成的 折平面，则称为平板；反之，中面为曲面的称为壳。
一、 选择题 二、 判断题 三、 填空题
三、 简答题
四、 综述题
杆梁问题
杆梁结构是指长度远大于其横断面尺寸的构件组成的系统。在结构力学中常将承受轴力或扭矩的杆件称为杆，而将承受横向力和弯矩的杆件称为梁。
平面（应力应变）问题与板壳问题的区别与联系
平面应力问题是指很薄的等厚度薄板，只在板边上受有平行于板面并且不沿厚度变化的面力，同吋，体力也平行于板面并且不沿厚度变化。而平面应变问题是指很长的柱形体，在柱面上受冇平行于横截面并且不沿长度变化的面力，同吋体力也平行于横截面并且不沿长度变化。板壳问题的弹性体受乘直于板而的力的作用，板将变成有弯有扭的曲而。
线性问题/非线性问题
线性问题：基于小变形假设，应力4应变方程、应力4位移关系方程、平衡方程都是线性的。
非线性问题：材料非线性（非线性弹性、非线性弹塑性），几何非线性（大变形大应变如金属橡胶，小应变大位移如薄壁结构）
2.不同类型单元的节点自由度的理解:
3.有限元法的基本思想与有限元分析的基本步骤（5步）
有限元法的基本思想：离散、分片插值；其中离散的思想吸收了差分法的启
/J、O
有限元分析的基本步骤：数学建模（问题分析），结构离散（第一次近似）, 单元分析（位移函数，单刚方程）（第二次近似），整体分析与求解（总刚度方程, 引入约束，解方程组求节点位移，根据节点位移求应力），结果分析及后处理。
4.里兹法的基本思想及与有限元法区别
里兹法的基本思想：先根裾描述问题的微分方程和相;、V:定解条件构造等价的泛函变分形式，然后在整个求解区域上假设一个试探函数（或近似函数），通过求解泛函极值来获得原问题的近似解。
与有限元法的区别：里兹法是整体场函数用近似函数代替，有限元法是离散求
解域，分片连续函数来近似整体未知场函数。
5.有限元法的基本定义（节点、单元、节点力、节点载荷）
?单元：即原始结构离散后，满足一定儿何特性和物理特性的最小结构域?节点：单元与单元间的连接点。
?节点力：单元与单元间通过节点的相互作用力?节点载荷：作用于节点上的外载（等效）。
6.位移函数的构造方法及满足的基本条件
构造方法：（1）广义坐标法，按照帕斯卡三角形选择多项式，项数多少由单元的自由度数决定。（2）插值函数法，表示为形函数和节点位移的乘积表示。
基本条件：（1）位移函数在单元节点的值应等于节点位移（即单兀内部是连续的（2）所选位移函数必须保证有限元的解收敛于真实解。
7.位移函数的收敛性条件（协调元、非协调元）及单元协调性的判
塹
位移函数的收敛性条件
（1）位移函数应乜含刚体位移
（2）位移函数应包含常景应变（反映单元的常应变状态）
（3）位移函数在单元内连续，在单元之间的边界上要协调满足1和2称为完备单元，满足1，2, 3称为协调单元。
单元协调性的判断
以3节点三角形单元为例，位移分量在每个单元中都是华标的线性函数的话，在公共边界上也会是线性变化的，那么相邻单元在公共边界上的任意一点都具有相同的位移，也就是协调单元。
宥限元法中，假设一种位移函数近似表达单元内部的真实位移分布，该位移函数可表示为位移函数和节点位移的线性插值。
8.有限元解的性质
有限元解具有下限性质，即有限元的解小于实际的精确解。这是因为实际结构木来是貝?省无限G由度的，当用食限元求解时，结构被离散为有限个单元的集合后，便只有有限个自巾度了。巾无限自巾度变为介限自巾度可以认为是对真实位移函数增加了约束，限制了结构的变形能力，从而导致结构的刚度増人、计算
的位移减小。
9.虚功原理、最小势能原理及变分法（里兹法）
虚功原理：在力的作用下处于平衡状态的体系，当发生与约束条件相符合的任
意微小的虚刚体位移吋，体系上所有的主动力在虚位移上所作的总功（各力所作的功的代数和）恒等于零。
最小势能原理：表明在满足位移边界条件的所宥可能位移中，实际发生的位移使弹性体的势能最小。
10.形函数特性
1）形函数Ni为x、y坐标的函数，与位移函数有相同的阶次。
2）形函数Ni在i节点处的值等于1，而在其他节点上的值为0。
3）单元内任一点的形函数之和恒等于1。
4）形函数的值在问变化。
11.单元刚度矩阵的性质及元素的物理意义
单元刚度矩阵的性质特点：
（1）对称性（2）奇异性，|K|=0 （3）主对角线元素恒为正值（4）奇偶行元素之和分别为零（各行或各列元素之和为零）
物理意义：
单元刚阵［K］的物理意义是单元受节点力作用后抗变形的能力。
其中分块矩阵［Ky］的物理意义为：当在j节点处产生单位位移而其他节点位移为零时，在i节点上需要作用力的大小。
其中元素Kij表示在第j号自由度上产生单位位移时，其他CJ由度位移为零时，在i号Cl由度上所需要施加的力的大小。
单元刚度矩阵的元素表示该单元的各节点沿坐标方向发生单位位移时引起
的节点力，它决定于该单元的形状、大小、方位和弹性常数，而与单元的位置尤蓋，即不随争元或坐.标轴的平行移动而改变。
12.边界条件处理（载荷等效移置集中力/均布力/线性分布力边界
位移约束处理固定/指定位移等）
载荷等效移置
连续弹性体离散为单元组合体吋，为简化受力情况，需把弹性体承受的任意分布的载荷都向节点移置（分解），而成为节点载荷。
载荷移置的原则：能景等效（或静力等效原则），即单元的实际载荷与移置后的节点载荷在和应的虚位移上所做的虚功和等。
集屮力，移置到两端节点，使得
均布力，移置至俩端节点，Fx=F2二0.5qL 线性
分介力，FplGOJqL, F2=2/3 0.5qL
边界位移约束
一.绝对位移约束
刚性支座（活动铰支，固定铰支，固接支座）——固定位移弹性支座（线弹性制作，非线性支座）——可变位移
强迫约束——指定位移用载荷等效，装配应力+整体应力
二.相对位移约束（如两接触面）
1.约束等式
2.耦合约束（连接重合节点，模拟滑动边界连接，施加周期对称边界条件）常
见的位移约朿问题处理
约束不足的处理
（1）利用对称性引进约束（取1/n^，在对称而上施加位移约束）
（2）转换载荷为位移约束（受平衡载荷作用，将一部分载荷用位移约束代替）（3）人为增加约束（约束点应尽量远离重要部位，约束点变形要和对小）其他，杆离散为多个杆申.元吋，须在连接节点增加约朿，只允许产生轴向位
移。轴对称结构，施加轴M约束。
过约束的处理
有时需要施加过约束，有时需要释放过约束。
引入位移边界条件是为了消除有限元整体刚度矩阵K的奇好性。
13.总体刚度矩阵组装原则及总刚阵特点
总体刚度矩阵组装原则：
1.在整体离散结构变形后，应保证各单元在节点处仍然协调地相互连接，即在该节点处所有单元在该节点上有相同位移。
2.整体离散结构各节点应满足平衡条件。即环绕每个节点的所冇单元作用其
上的节点力之和应等于作用于该节点上的节点载荷Ri。
总刚度矩阵特点：除了具有单元刚阵的特点外，还有
1.稀疏性，是指总刚矩阵的绝大多数元素都是零，非零子块只占一小部分。
2.带状性，是指总刚矩阵中非零子块集中在主对角线两侧，呈带状分布。（附，
半带宽B=（相关节点号最大差值+1）*节点自由度数）
二建模与结果分析
1.影响有限元分析精度和成本的
影响宥限元解的误差：1）离散误差2）位移函数误差
分析精度：A、单元阶次B、单元数量C、划分形状规则的单元
D、建立与实际和符的边界条件
E、减小模型规模
F、避免出现“病态”方
程组，当总刚矩阵元素屮各行或各列的值相差较大吋，则总刚近似奇异。
节点数据：节点编号、坐标值、坐标参考系代码、位移参考系代码、节点数 量、单元编号
单元数据：单元节点、编号单元、材料特性码、单元物理特性值码、单元截 面特性、相关几何数据
边界条件数据：位移约束数据、载荷条件数据、热边界条件数据、其他边界 条件数据
归纳起来，网格划分生成节点和单元的过程主耍包括定义单元属性、定义网格 生成控制和生成网格三个步骤。
3. 有限元建模的常用方法理解及应用（如细节处理、分步计算、局
、子结构法、对称性简化等）
也称为小特征处理，即删除或抑制对结构力学性能影响不大的细小
结构。 分步计算，如果结构的局部存在相对尺、r 非常小的细节，且又不能进行细节 处理，可采用分步计算来控制有限元模型的规模。
就是从所建立的力学模型中抽取一部分岀来进行分析，该部分通常 是
研究者最关心的的危险区域。
子结构法是先将大型结构分解为若干个结构区域,每个区域作为一个子结 构。子结构被进一步细分为单元，井人为地将子结构上的节点划分为边界节点和 内部节点两类.
对称性简化，对称性分为反射对称和周期对称 （1） 反射对称，受对称载荷作用则对称面上的位移条件为
①垂直于对称面的移动位移分量为零。②绕平行于对称面的两相互垂直的轴 的转动位移分量均为零。
（2） 反射对称，受反对称载荷作用则对称而上的位移条件为
①平行于对称面的移动位移分量为零；②绕方向矢量垂直于对称面的轴的转 动位移分量为零。
（3） 对称结构受任意载荷作用（迭加原理）
（4） 周期对称的位移条件，周期对称边界上的对极点宥相同的位移状态
4. 边界约束条件的处理（见前）o
5. 单元类型选择的一般原则
选择原则：同一问题所选单元应使计算精度高、收敛速度快、计算量小。 2.有限元模型的基本构成（节点数 F ■
勘
k 单元数据、边界条件等）
1、杆系结构：a、铰接连接时，选杆单元；b、刚性连接时，选刚架单元。
2、平面结构：a、外载平行于平面内，选平面单元b、外载不在平面内，选弯曲板壳单元
3、空间结构：a、结构和受力具冇轴对称性，选轴对称单元；b、一般实体，选三维实体单元。
三.其他
1.冇限单元法首先求出的解是位移，单元应力、应变PJ由它求得。
2.模型简化
力学模型简化就是借助对称原理、圣维南原理、叠加原理、等效准则等,在保证考察问题的精度不受影响或具有足够近似精度的要求下，对所研究问题的力学模型进行简化，从而达到减小计算吋闹和存储空闹的口的。常用方法有降维处理、等效变换、对称性利用、组合分析、场耦合分析。
3.对称性利用注意事项
（1）不仅结构的形状、载荷耍对称，还耍求位移约束也对称（2）若对称面上作用有载荷，则应取载荷的1/2进行分析（3）若对称面上存在板或梁，这时板或梁单元的刚度应取整个单元刚度的1/2 （4）用对称而剖分结构吋，应尽量使剖分面不在结构的最大应力位置。其他略。
4.整体刚度方程中的约束条件引入
引入约束的方法常有：1）降阶法（打乱|K|{R}的储存顺序）2）对角元素置1法3）对角元素乘大数法
ANSYS操作部分
1ANSYS冇两种模式：一种是图形交互模式，另一个是命令流模式。
2 ANSYS软件的基本分析步骤
ANSYS软件基本分析步骤人致可分为三个模块：前处理、加载求解和后处理前处理
（1）建立有限元模型所需输入的资料。如节点、坐标资料、元素内节点排列次序。（2）材料属性（3）模型的单元划分
求解处理：（1）负载条件（2）边界条件及求解后处理：P0ST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所
得的解答如变形、应力、反力等资料，通过图形接口以及各种不同表示方式把等位移阁、等应力阁等显示出来。POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时
域处理。
3 Ansys前处理问题
启动ANSYS进入ANSYS交互界面环境，最初的默认激活坐标系(当前坐标系)总是总体直角坐标系。
ANSYS中实体建模的方式有：
(1)简单模型，在ANSYS中创建儿何模型，分自底向上和自顶向下的建模方式：
(2)对于复杂模型，导入在其他CAD系统创建的模型；
(3)直接生成。
ANSYS两种创建有限元模型的方法：
(1) 直接法：创建节点，由节点创建单元，适用于简单的结构系统——杆梁。
(2)间接法：先几何模型，再网格划分，适用于几何外形结构复杂的系统。
布尔运算就是对生成的实体模型进行诸如交、并、减等的逻辑运算，给用户快速生成复杂实体模型提供了极大的方便。
单元与文件数据类型：
在ANSYS的单元库中，S0LID45单元属于结构实体单元,beaml88是3D梁单。
利用ANSYS进行结构分析时，载荷步文件为Jobname.sn，结果文件为_ jobname.rst。
约束：
对称与反对称约束
对称约束限制对称面内所宥节点的两个方向旋转自由度，同时限制了乘直于对称面的位移自由度。
反对称约朿限制Y对称面内所有节点在对称面内的两个方向位移自由度，同吋限制了垂直于对称面的旋转自由度。
Ansys中的载荷(Loads)包括所育边界条件以及外部或内部的作用力。
具体包柄：VDOF，集中载荷Force，面载荷Surface load，体积载荷Body load ,
惯性载荷Inertia load，耦合场载荷Coupled-field loads。
ANS YS 划分有限元网格的方法及其区别
八nsys 提供两种网格划分方法：自由网格划分和映射网格划分。所谓自由网 格划分，体现在没宥特定的准则，对于单元形状无限制，生成的单元不规则，基 本适用于所有的模型，自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。 映射网格划分则要求满足一定的规则，生成的单元形状比较规则，适用于形状规 则的体@面。且映射面M 格以包含四边形或三角形争元，而映射体网格只包含六 面体单元。 Ansys 单位制问题
Ansys 坐标问题 Ansys 定
义材料属性方法
ANSYS 屮的两个后处理分别是通用后处理和时间历程后处理
2 ANSYS 后处理问题 4遇(i (y 1N)
N/m 2(Pa) dvn/cm 2
(102Pa)
N/m 2(Pa) cm 4
m 4 m/s 2 cm/s 2
m/s 2 kg/m 3 g/'m 3
kg/m 3 N/m 2(Pa) dvn/cm 2
(104Pa)
N/m 2(Pa) N/m 2(Pa) dyn/cm 2
(To 4Pa)
N/m 2(Pa) 名称 符号 导出式 SI
（国际单位制） CGS
MKS 备注 长蜜（Length ） cm
基本单位 质量 (Mass) kg
kg 基本单位 时间（Time ）
基本单位 温度(Temperature) °
C °C 基本单位 力(Force) 导出单位 压强(Pressure) Press 导出单位 惯性矩(momentof
inertia) nr 导出单位 速度(Velocity) m/s cm/s
m/s 导出单位 J 口速度(Acceleration) 导出单位 密变(Density) 导出单位 座力（Stress ） 导出单位 杨氏模量(Young's Modulus) YM 导出单位
《有限元分析与应用》详细例题 试题1：图示无限长刚性地基上的三角形大坝，受齐顶的水压力作用，试用三节点常单元和六节点三角形单元对坝体进行有限元分析，并对以下几种计算方案进行比 较： 1）分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算； 2）分别采用不同数量的三节点常应变单元计算； 3）当选常应变三角单元时，分别采用不同划分方案计算。 一．问题描述及数学建模 无限长的刚性地基上的三角形大坝受齐顶的水压作用可看作一个平面问题，简化为平面三角形受力问题，把无限长的地基看着平面三角形的底边受固定支座约束的作用，受力面的受力简化为受均布载荷的作用。 二．建模及计算过程 1. 分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算 下面简述三节点常应变单元有限元建模过程（其他类型的建模过程类似）： 1.1进入ANSYS 【开始】→【程序】→ANSYS 10.0→ANSYS Product Launcher →change the working directory →Job Name: shiti1→Run 1.2设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural →OK 1.3选择单元类型 单元是三节点常应变单元，可以用4节点退化表示。 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4 node 42 →OK (back to Element Types window)→Options… →select K3: Plane Strain→OK→Close (the Element Type window) 1.4定义材料参数
2011年有限元试题 一、简答 1、有限元平面问题有几个自由度？空间问题有几个自由度？弹性力学三大方程分别应用了何种假定？ 2、位移模式的完备性条件是什么？必须要满足吗？ 3、如图所示节点编号，计算半带宽，并画出最合理的节点编号，刚度矩阵中对角元素为何都为正值？ 4、等参单元变换的必要条件是什么？ 5、简述铁木辛柯梁的基本特点，解释何谓剪切锁死现象，并给出避免出现剪切闭锁的条件。 二、推导题 1、用自然坐标推导四节点矩形单元的形函数 2、计算等效荷载，如图 3、分析下图的高斯点选取是否合理 三、计算 1、如图 （1）计算三角形单元的位移模式 （2）已知三节点的位移分别为() ,;,;,j j m i m i u u u v v v （已知数据），A 点的坐标（0.5，0.2,0）求A 点的位移分量
2、已知基本方程d 0d u u x +=，边界条件01x u ==，选取试函数1u cx =+ 用伽辽金法确定系数c 3、求雅克比矩阵J （同作业题） 4、如图所示结构当节点编号如右图所示时，可求出其单元刚度矩阵为 11121621 2226616266a a a a a a K a a a ??????=?????? （考试中均为具体数据） 试确定局部刚度矩阵[]22K 及[]45K
2005年有限元试卷 一、简答题 1、加权残数法、变分法与有限元法的联系与区别是什么？有限元方法有什么优点？ 2、单元分析的重点是什么？单元刚度矩阵有什么特征？其中每一个元素的物理意义是什么？单元分析中坐标转换的作用是什么？ 3、在有限元法中，等参单元的主要有点事什么？在应用等参单元时，坐标变换的精度与位移模式的精度是否一样？等参单元计算中积分阶次选择的原则是什么？ 4、为什么位移型有限元应力解的精度要低于位移解？应力解的近似性表现在哪些方面？应力近似解的性质是什么？试分析下列平面单元中的位移和应力的误差量级？ （1）三点三角形单元（2）四节点举行单元（3）六节点三角形单元 （4）四节点直边四边形等参单元（5）把节点曲边四边形等参单元 5、在博班弯曲问题中，何谓协调单元和非协调单元？试论证四节点矩形板12个自由度弯曲单元是完备的非协调单元 6、常用的构造单元插值函数的方法有哪三种？各有哪些优点？ 7、什么是材料非线性问题和几何非线性问题？各自的难点是什么？材料非线性和几何非线性有什么联系和区别？ 8、什么是非线性有限元方程的迭代解法和增量解法？各自的适用范围是什么？常见的迭代收敛准则有哪些？当有限元求解结果不对时，可从哪些方面进行检查？ 9、简要说明学习“有限元的”的心得体会？ 二、计算推导题 1、图示等刚度悬臂梁受均布荷载作用，假定试函数为：()21cos x x c l f π??=- ??? ，梁截面抗弯刚度为EI ，试采用最小势能原理计算梁的最大挠度 X
同济大学本科课程期终考试统一命题纸A卷 2007—2008学年第二学期 一．是非题（认为该题正确，在括号中打√；该题错误，在括号中打×。）(每小题2分) （1）用加权余量法求解微分方程，其权函数V和场函数u的选择没有任何限制。（）（2）四结点四边形等参单元的位移插值函数是坐标x、y的一次函数。（）（3）在三角形单元中，其面积坐标的值与三结点三角形单元的结点形函数值相等。（）（4）二维弹性力学问题的有限元法求解，其收敛准则要求试探位移函数C1连续。（）（5）有限元位移法求得的应力结果通常比应变结果精度低。（）（6）等参单元中Jacobi行列式的值不能等于零。（）（7）在位移型有限元中，单元交界面上的应力是严格满足平衡条件的。（）（8）四边形单元的Jacobi行列式是常数。（）（9）利用高斯点的应力进行应力精度的改善时，可以采用与位移插值函数不同结点的形函数进行应力插值。（）（10）一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。（）二．单项选择题（共20分，每小题2分） 1 在加权余量法中，若简单地利用近似解的试探函数序列作为权函数，这类方法称为 ________________。 （A）配点法（B）子域法（C）伽辽金法 2 等参变换是指单元坐标变换和函数插值采用______的结点和______的插值函数。 （A）不相同，不相同（B）相同，相同（C）相同，不相同（D）不相同，相同 3 有限元位移模式中，广义坐标的个数应与___________相等。 （A）单元结点个数（B）单元结点自由度数（C）场变量个数 4 采用位移元计算得到应力近似解与精确解相比较，一般___________。 （A）近似解总小于精确解（B）近似解总大于精确解（C）近似解在精确解上下震荡（D）没有规律 5 如果出现在泛函中场函数的最高阶导数是m阶，单元的完备性是指试探函数必须至少 是______完全多项式。 （A）m-1次（B）m次（C）2m-1次 6 与高斯消去法相比，高斯约当消去法将系数矩阵化成了_________形式，因此，不用进 行回代计算。 （A）上三角矩阵（B）下三角矩阵（C）对角矩阵 7 对称荷载在对称面上引起的________________分量为零。 （A）对称应力（B）反对称应力（C）对称位移（D）反对称位移 8 对分析物体划分好单元后，__________会对刚度矩阵的半带宽产生影响。 （A）单元编号（B）单元组集次序（C）结点编号 9 n个积分点的高斯积分的精度可达到______阶。 （A）n-1 （B）n（C）2n-1 （D）2n 10 引入位移边界条件是为了消除有限元整体刚度矩阵K的__________。 （A）对称性（B）稀疏性（C）奇异性 三．简答题（共20分，每题5分）
一判断题节点的位置依赖于形态而并不依赖于载荷的位置√2. 对于高压电线的铁塔那样的框架结构的模型化处理使用梁单元×3. 不能把梁单元、壳单元和实体单元混合在一起作成模型√4. 四边形的平面单元尽可能作成接近正方形形状的单元×5. 平面应变单元也好平面应力单元也好如果以单位厚来作模型化处理的话会得到一样的答案×6. 用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析√7. 一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好×8. 所谓全约束只要将位移自由度约束住而不必约束转动自由度√9. 同一载荷作用下的结构所给材料的弹性模量越大则变形值越小√10一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。二、填空平面应力问题与薄板弯曲问题的弹性体几何形状都是薄板但前者受力特点是平行于板面且沿厚度均布载荷作用变形发生在板面内后者受力特点是垂直于板面的力的作用板将变成有弯有扭的曲面。平面应力问题与平面应变问题都具有三个独立的应力分量三个独立的应变分量但对应的弹性体几何形状前者为薄板后者为长柱体。位移模式需反映刚体位移反映常变形满足单元边界上位移连续。单元刚度矩阵的特点有对称性奇异性还可按节点分块。轴对称问题单元形状为三角形或四边形截面的空间环形单元由于轴对称的特性任意一点变形只发生在子午面上因此可以作为二维问题处理。等参数单元指的是描述位移和描述坐标采用相同的形函数形式。等参数单元优点是可以采用高阶次位移模式能够模拟复杂几何边界方便单元刚度矩阵和等效节点载荷的积分运算。有限单元法首先求出的解是节点位移单元应力可由它求得其计算公式为。8、一个空间块体单元的节点有 3 个节点位移变形体基本变量有位移应变应力基本方程平衡方程物理方程几何方程10.实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元 三选择题分等参变换是指单元坐标变换和函数插值采用__B___的结点和______ 的插值函数。不相同不相同相同相同相同不相同不相同 相同2 有限元位移模式中广义坐标的个数应与_______B____相等。单元结点个数 单元结点自由度数场变量个数 3 如果出现在泛函中场函数的最高阶导数是m阶单元的完备性是指试探函数必须至少是___B___完全多项式。-1次 次-1次 4 与高斯消去法相比高斯约当消去法将系数矩阵化成了____C_____形式因此不用进行回代计算。上三角矩阵下三角矩阵对角矩阵5 对分析物体划分好单元后会对刚度矩阵的半带宽产生影响。单元编号单元组集次序结点编号6 n个积分点的高斯积分的精度可达到__C____阶。--引入位移边界条件是为了消除有限元整 体刚度矩阵的_____C_____。对称性稀疏性奇异性三简答题 共20分每题5分、简述有限单元法结构刚度矩阵的特点。2、简述有限元法中选取单元位移函数多项式的一般原则。1、答答对前3个给4分对称性 奇异性主对角元恒正稀疏性非零元素带状分布2、答一般原则有(1) 广义坐标的个数应该与结点自由度数相等选取多项式时常数项和坐标的一次项必须完备多项式的选取应由低阶到高阶尽量选取完全多项式以提高单元的精度。有限元方法分析的目的对变形体中的位移、应力、应变进行定义和表达进而建立平衡方程、几何方程和物理方程。2)针对具有任意复杂几何形状的变形体完整得获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息。3)力学分析的基础上对设计对象进行强度(strength)、刚度评判修改、优化参数。有限单元法分析步骤1、结构的离散化2、选择位移模式3 、分析单元的力学特性4、集合所有单元平衡方程得到整体结构的平衡方程5、由平衡方程求解未知节点位移6、单元应变和应力的计算4连续体结构分析的基本假定连续性假设完全弹性假设均匀性假设
一 判断题（20分） （×）1. 节点的位置依赖于形态，而并不依赖于载荷的位置 （√）2. 对于高压电线的铁塔那样的框架结构的模型化处理使用梁单元 （×）3. 不能把梁单元、壳单元和实体单元混合在一起作成模型 （√）4. 四边形的平面单元尽可能作成接近正方形形状的单元 （×）5. 平面应变单元也好，平面应力单元也好，如果以单位厚来作模型化 处理的话会得到一样的答案 （×）6. 用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析 （√）7. 一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好 （×）8. 所谓全约束只要将位移自由度约束住，而不必约束转动自由度 （√）9. 同一载荷作用下的结构，所给材料的弹性模量越大则变形值越小 （√）10一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。 二、填空（20分） 1．平面应力问题与薄板弯曲问题的弹性体几何形状都是 薄板 ，但前者受力特点是： 平行于板面且沿厚度均布载荷作用 ，变形发生在板面内； 后者受力特点是： 垂直于板面 的力的作用，板将变成有弯有扭的曲面。 2．平面应力问题与平面应变问题都具有三个独立的应力分量： σx ，σy ，τxy ，三个独立的应变分量：εx ，εy ，γxy ，但对应的弹性体几何形状前者为 薄板 ，后者为 长柱体 。3．位移模式需反映 刚体位移 ，反映 常变形 ，满足 单元边界上位移连续 。 4．单元刚度矩阵的特点有：对称性 ， 奇异性 ，还可按节点分块。 5．轴对称问题单元形状为：三角形或四边形截面的空间环形单元 ，由于轴对称的特性，任意一点变形只发生在子午面上，因此可以作为 二 维问题处理。 6．等参数单元指的是：描述位移和描述坐标采用相同的形函数形式。等参数单元优点是：可以采用高阶次位移模式，能够模拟复杂几何边界，方便单元刚度矩阵和等效节点载荷的积分运算。 7．有限单元法首先求出的解是 节点位移 ，单元应力可由它求得，其计算公式为 {}{} [][]e D B σδ=。（用符号表示即可） 8．一个空间块体单元的节点有 3 个节点位移： u ，v ，w 9．变形体基本变量有位移应变应力 基本方程 平衡方程 物理方程 几何方程 10.实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元
1．针对下图所示的3个三角形元，写出用完整多项式描述的位移模式表达式。 2．如下图所示，求下列情况的带宽: a)4结点四边形元； b)2结点线性杆元。 3．对上题图诸结点制定一种结点编号的方法，使所得带宽更小。图左下角的四边形在两种不同编号方式下，单元的带宽分别是多大 4．下图所示，若单元是2结点线性杆单元，勾画出组装总刚后总刚空间轮廓线。系统的带宽是多大按一右一左重新编号（即6变成3等）后，重复以上运算。
5．设杆件1－2受轴向力作用，截面积为A，长度为L，弹性模量为E，试写出 杆端力F 1，F 2 与杆端位移 2 1 ,u u之间的关系式，并求出杆件的单元刚度矩阵)(] [e k 6．设阶梯形杆件由两个等截面杆件○1与○2所组成，试写出三个结点1、2、3的 结点轴向力F 1，F 2 ，F 3 与结点轴向位移 3 2 1 , ,u u u之间的整体刚度矩阵[K]。 7．在上题的阶梯形杆件中，设结点3为固定端，结点1作用轴向载荷F 1 =P，求各结点的轴向位移和各杆的轴力。
8． 下图所示为平面桁架中的任一单元，y x ,为局部坐标系，x ，y 为总体坐标系，x 轴与x 轴的夹角为θ。 （1） 求在局部坐标系中的单元刚度矩阵 )(][e k （2） 求单元的坐标转换矩阵 [T]； （3） 求在总体坐标系中的单元刚度矩阵 )(][e k 9．如图所示一个直角三角形桁架，已知27/103cm N E ?=，两个直角边长度 cm l 100=，各杆截面面积210cm A =，求整体刚度矩阵[K]。
10．设上题中的桁架的支承情况和载荷情况如下图所示，按有限元素法求出各结点的位移与各杆的力。 11．进行结点编号时，如果把所有固定端处的结点编在最后，那么在引入边界条件时是否会更简便些 12．针对下图所示的3结点三角形单元，同一网格的两种不同的编号方式，单元的带宽分别是多大
《汽车有限元基础》2009-2010二学期考试试卷
《汽车有限元基础》2009-2010第二学期考试试卷 一、填空题 1. 有限元法的基本思想是用个单元的集合来代替原来具有个自由 度的连续体。 2. 单元刚度矩阵K中元素K ij的物理意义：当单元第j个自由度产生而其它自由度固定时，在第i个自由度产生的。 3．按照各杆轴线及外力作用线在空间的位置，杆系结构可分为： 和。4．平面刚架中各单元发生轴向拉压变形及面内的弯曲变形，而且这两种变形相互独立，因此刚架单元可以看成是由单元和单元叠加而成。因此，平面刚架单元的节点位移应包含个平动分量和个转动分量。 5．工程中常用的薄板单元有：单元和单元。6．有限元分析的主要步骤先后为：(1) 网格划分, (2) , (3) 。 7. 单元特性分析的主要内容先后为：(1) 、(2) 、(3) 应力或内力、(4) 、(5) 单元节点载荷。 8．对于弹性变形体，承受的外载荷共有三种：集中载荷、和。在有限元法中，对于没有作用在节点上的这些外载荷，是按照的原则将其移置到节点上。 9．工程中任一平板，若其厚度为t，板面宽度为b，当t/b小于时可以认为是薄板。常用的薄板单元有：单元和单元。10．薄壳单元中的应力可看成平面应力问题和问题中两种应力的叠加。 11．求解结构系统的动力响应时，常用的两种求解方法为：和 12．在有限元分析中，为了描述几何模型和有限元模型，需要用到几种坐标系： (1) (2) (3) 和(4)
《汽车有限元基础》2009-2010第二学期考试试卷 二、 问答题 1．某一薄板矩形单元的节点编号按照逆时针依次为i 、j 、m 和p 。假设该单元每个节点的位移表示为{}{}T yi xi i i w θθδ=， (i, j, m, p )；该单元每个节点的载荷表示为{}{}T iy ix i i T T Z F θθ=，(i, j, m, p )。请写出该单元的单元节点位移列阵和单元 节点载荷列阵。 2．请写出使用有限元分析软件时，进行数据前处理的主要工作内容。 3．右下图为一典型三节点三角形平面单元，节点按照逆时针依次编号为i 、j 和m ，节点的坐标依次为(x i ，y i )，(x j ，y j )、（x m ，y m ）。假设单元内任意一点的两个位移分量分别表示u 和v 。请写出该单元位移模式的多项式形式，并简述待定常数个数的确定理由。 4. 请简述针对动力问题的有限元分析的基本步骤。
1、何为有限元法？其基本思想是什么？ 有限元法是一种基于变分法而发展起来的求解微分方程的数值计算方法，该方法以计算机为手段，采用分片近似，进而逼近整体的研究思想求解物理问题。 基本思想是化整为零集零为整。 2、为什么说有限元法是近似的方法，体现在哪里？ 有两点：用离散单元的组合体来逼近原始结构，体现了几何上的近似；而用近似函数逼近未知变量在单元内的真实解，体现了数学上的近似。 3、单元、节点的概念？ 节点：表达实际结构几何对象之间相互连接方式的概念 单元：网格划分中的每一个小部分称为单元，网格间相互联结点称为节点 4、有限元法分析过程可归纳为几个步骤？ 结构离散化、单元分析、整体分析 5、有限元方法分几种？本课程讲授的是哪一种？ 位移法、力法、混合法本课程讲授位移法 6、弹性力学的基本变量是什么？何为几何方程、物理方程及虚功方程？弹性矩阵的特点？ 弹性力学变量:外力、应力、应变和位移。 描述弹性体应变分量与位移分量之间的方程称为几何方程；物理方程描述应力分量与应变分量之间的关系；弹性体上外力在虚位移发生过程中所做的虚功与储存在弹性体内的需应变能相等。 弹性矩阵由材料的弹性模量和泊松比确定，与坐标位置无关。 7、何为平面应力问题和平面应变问题？ 平面应力问题：在结构上满足a几何条件：研究对象是等厚度薄板。b载荷条件：作用于薄板上的载荷平行于板平面且沿厚度方向均匀分布，而在两板面无外力作用。 平面应变问题：满足a几何条件：长柱体，即长度方向的尺寸远远大于横截面的尺寸，且横截面沿长度方向不变。b载荷条件：作用于长柱体结构上的载荷平行于横截面且沿纵向方向均匀分布，两端面不受力两条件的弹性力学问题。 1、何为结构的离散化？离散化的目的？何为有限元模型？ ①离散化:把连续的结构看成由有限个单元组成的集合体。②目的：建立有限元计算模型③通常把由节点,单元及相应的节点载荷和节点约束构成的模型称为有限元模型
有限元试题及答案
一判断题（20分） （×）1. 节点的位置依赖于形态，而并不依赖于载荷的位置 （√）2. 对于高压电线的铁塔那样的框架结构的模型化处理使用梁单元 （×）3. 不能把梁单元、壳单元和实体单元混合在一起作成模型 （√）4. 四边形的平面单元尽可能作成接近正方形形状的单元 （×）5. 平面应变单元也好，平面应力单元也好，如果以单位厚来作模型化 处理的话会得到一样的答案 （×）6. 用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析 （√）7. 一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好 （×）8. 所谓全约束只要将位移自由度约束住，而不必约束转动自由度 （√）9. 同一载荷作用下的结构，所给材料的弹性模量越大则变形值越小（√）10一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。 二、填空（20分） 1．平面应力问题与薄板弯曲问题的弹性体几何形状都是薄板，但前者受力特点是：平行于板面且沿厚度均布载荷作用，变形发生在板面内； 后者受力特点是：垂直于板面的力的作用，板将变成有弯有扭的曲面。 2．平面应力问题与平面应变问题都具有三个独立的应力分量：σx，σy，τxy ，三个独立的应变分量：εx，εy，γxy，但对应的弹性体几何形状前者为薄板，后者为长柱体。3．位移模式需反映刚体位移，反映常变形，满足单元边界上位移连续。 4．单元刚度矩阵的特点有：对称性，奇异性，还可按节点分块。
5．轴对称问题单元形状为：三角形或四边形截面的空间环形单元，由于轴对称的特性，任意一点变形只发生在子午面上，因此可以作为二维问题处理。6．等参数单元指的是：描述位移和描述坐标采用相同的形函数形式。等参数单元优点是：可以采用高阶次位移模式，能够模拟复杂几何边界，方便单元刚度矩阵和等效节点载荷的积分运算。 7．有限单元法首先求出的解是节点位移，单元应力可由它求得，其计算公式为。（用符号表示即可） 8．一个空间块体单元的节点有 3 个节点位移： u，v，w 9．变形体基本变量有位移应变应力基本方程平衡方程物理方程几何方程 10.实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元
一、简答题（40分，每小题5分） 1、 分别写出板弯类单元和平面应力膜单元上一个有限元节点的位移自由度 及其相对应的节点力列阵？ (1)薄板弯曲问题单元每节点三自由度，即每个结点有三个位移分量： 挠度w ,绕x 、y 轴转角 ??? ??? ?y x y x w θ θ轴转角绕轴转角绕挠度，即结点i 的位移 {}i yi xi i i x w y w w w d ?? ??? ? ??????????-??=??????????????=θθ ()4,1K =i 同理,相应的结点力 {}）轴力偶（上节中的绕）轴力偶（上节中的 绕竖向力 x y M y M x ??? ???????????=yi xi i i M M f F (2)平面应力膜单元每个节点两自由度，{},T i i u v ,对应节点力{},T xi yi f f 2、 欲求解在ay by cx R '''++=约束下的泛函(;,)b a I F x y y dx '=?极值，新泛函应 如何构造？ 答：* {(;,)()}b a I F x y y ay by cx R dx λ''''=+++-? 3、 欲求解在()(),,R P x y dx Q x y dy =+??约束下的泛函(;,)b a I F x y y dx '=?极 值，新泛函应如何构造？ 答：()()* {(;,)[,,']}b a I F x y y P x y Q x y y R dx λ'=++-? 4、 满足()f g g f ds L ''+=??条件下的泛函(;,)b a I F x y y dx '=?极值求解应如何构造新泛函？
有限元法基础试题（A ） 一、填空题（5×2分） 1.1单元刚度矩阵e T k B DBd Ω = Ω? 中，矩阵B 为__________，矩阵D 为___________。 1.2边界条件通常有两类。通常发生在位置完全固定不能转动的情况为_______边界，具体指定有限的非零值位移的情况，如支撑的下沉，称为_______边界。 1.3内部微元体上外力总虚功： ()(),,,,e x x xy y bx xy x y y by d W F u F v dxdy δστδτσδ??=+++++??+(),,,,x x y y xy y x u v u u dxdy σδσδτδδ??+++??的表达式中，第一项为____________________的虚功，第二项为____________________的虚功。 1.4弹簧单元的位移函数1N +2N =_________。 1.5 ij k 数学表达式：令j d =_____，k d =_____，k j ≠，则力i ij F k =。 二、判断题（5×2分） 2.1位移函数的假设合理与否将直接影响到有限元分析的计算精度、效率和可靠性。（ ） 2.2变形体虚功原理适用于一切结构（一维杆系、二维板、三位块体）、适用于任何力学行为的材料（线性和非线性），是变形体力学的普遍原理。 （ ） 2.3变形体虚功原理要求力系平衡，要求虚位移协调，是在“平衡、协调”前提下功的恒等关系。 （ ） 2.4常应变三角单元中变形矩阵是x 或y 的函数。 （ ） 2.5 对称单元中变形矩阵是x 或y 的函数。 （ ） 三、简答题（26分） 3.1列举有限元法的优点。（8分） 3.2写出有限单元法的分析过程。（8分） 3.3列出3种普通的有限元单元类型。（6分） 3.4简要阐述变形体虚位移原理。（4分） 四、计算题（54分） 4.1对于下图所示的弹簧组合，单元①的弹簧常数为10000N/m ，单元②的弹簧常数为20000N/m ，单元③的弹簧常数为10000N/m ，确定各节点位移、反力以及单元②的单元力。（10分） 4.2对于如图所示的杆组装，弹性模量E 为10GPa ，杆单元长L 均为2m ，横截面面积A 均为2×10-4m 2，弹簧常数为2000kN/m ，所受荷载如图。采用直接刚度法确定节点位移、作用力和单元②的应力。（10分）
有限元分析与应用试题 1.有限元求解问题的主要思路是什么？并做简要介绍。 ● 将连续系统分割成有限个分区或单元（离散化） 离散化 将直杆划分成n 个有限段，有限段之间通过一个铰接点连接。两段之间的连接点称为节点，每个有限段称为单元。第i 个单元的长度为L i ，包含第i ，i+1个节点。 ● 用标准方法对每个单元提出一个近似解（单元分析） 单元分析 用单元节点位移表示单元内部位移－第i 个单元中的位移用所包含的结点位移来表示。 线性插值所得到的 第i 结点的位移 第i 结点的坐标 第i 个单元的 应变 ) ()(1i i i i i x x L u u u x u --+=+i u i x i i i i L u u dx du -== +1εi i i i i L u u E E )(1-= =+εσ
应力 内力 将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统（整体分析） 首先把外载荷集中到节点上： 把第i 单元和第i+1单元重量的一半，集中到第i+1结点上 建立结点的力平衡方程：对于第i+1结点，由力的平衡方程可得 （i=1，n-1） i i i i i L u u EA A N ) (1-= =+σ2 ) (11+++= -i i i i L L q N N ) (2 )()(11121++++++=---i i i i i i i i L L q L u u EA L u u EA
令 对于第n+1个结点，第n 个单元的内力与第n+1个结点上的外载荷平衡， 再加上约束条件 因此可以得到n+1个方程构成的方程组，可解出n+1个结点的位移。 有限元方法的基本思想和原理是“简单”而“朴素”的，在发展初期，许多学术权威对该方法的学术价值有所鄙视，国际著名刊物Journal of Applied Mechanics 许多年来拒绝刊登有关有限元方法的文章，其理由是没有新的科学实质。 现在完全不同了，由于有限元方法在科学研究和工程分析中的地位， 1 += i i i L L λ22 1)11(2)1(i i i i i i i L EA q u u u λλλ+=-++-++1()2 n n n n n n EA u u qL N A L σ+-== = EA qL u u n n n 221= +-+0 1=u
有限元复习 一、选择题（每题1分，共10分） 二、判断题（每空1分，共10分） 三、填空题（每空1分，共10分） 三、简答题（共44分）共6题 四、综述题（共26分）两题 一．基本概念 1. 平面应力/平面应变问题；空间问题/轴对称问题；杆梁问题；线 性与非线性问题 平面应力问题 （1） 均匀薄板（2）载荷平行于板面且沿厚度方向均匀分布 在六个应力分量中，只需要研究剩下的平行于XOY 平面的三个应力分量，即x y xy yx σσττ=、、 （000z zx xz zy yz σττττ=====，，）。 一般0z σ=，z ε并不一定等于零，但可由x σ及y σ求得，在分析问题时不必考虑。于是只需要考虑 x y xy εεγ、、三个应变分量即可。 平面应变问题
（1） 纵向很长，且横截面沿纵向不变。（2）载荷平行于横截面且沿纵向 均匀分布 z yz zx εγγ===只剩下三个应变分量x y xy εεγ、、。也只需要考虑x y xy σστ、、三个应力分量即可 轴对称问题 物体的几何形状、约束情况及所受外力都对称于空间的某一根轴。 轴对称单元的特点（与平面三角形单元的区别）：轴对称单元为圆环体，单元与单元间为节圆相连接；节点力与节点载荷是施加于节圆上的均布力；单元边界是一回转面；应变不是常量。 在轴对称问题中，周向应变分量θε是与r 有关。 板壳问题 一个方向的尺寸比另外两个方向尺寸小很多，且能承受弯矩的结构称为板壳结构，并把平分板壳结构上下表面的面称为中面。如果中面是平面或平面组成的折平面，则称为平板；反之，中面为曲面的称为壳。 杆梁问题 杆梁结构是指长度远大于其横断面尺寸的构件组成的系统。在结构力学中常将承受轴力或扭矩的杆件称为杆，而将承受横向力和弯矩的杆件称为梁。 平面（应力应变）问题与板壳问题的区别与联系 平面应力问题是指很薄的等厚度薄板，只在板边上受有平行于板面并且不沿厚度变化的面力，同时，体力也平行于板面并且不沿厚度变化。而平面应变问题是指很长的柱形体，在柱面上受有平行于横截面并且不沿长度变化的面力，同时
中南大学考试试卷(试卷共2页) 2007 -- 2008学年下学期时间110分钟有限元分析及应用课程 36 学时 2 学分 专业年级： 07级研究生总分100分考试形式：大型作业注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上A4 一．简答题（共40分,每题10分） 1．简述非节点载荷移置的缘由及遵循的原则(p49)？写出集中力移置的普遍公式(p50)。 2．任何一个有限元分析问题都是空间问题，什么情况下可以简化为平面问题(p84)、轴对称问题(p128)？ 3．简述有限元几何模型(关键点、线、面、体)、网格模型(节点、单元)、有限元模型层次关系(p204)及所包含的主要内容，并说明约束的意义(p265)？ 4．写出3节点平面三角形单元(p90)、8节点六面体单元(p168)的广义位移函数，并说明单元位移模式选取的原则(p32)？ 二．综合题（20分） 1.对于如图所示结构模型，若以角速度W绕中心轴线旋转，求其在惯性力的作用下的 最大应力与变形。（1）概述该分析模型的简化方法及理由(p363)？（2）说明约束的施加方法及理由(p369)？(3)用图表示简化后的物理分析模型 三计算与软件操作题（本题共40分）
据提取等关键命令 点应力、形变、位移数束与载荷、求解以及节成、单元生成、施加约要求：简明概述节点生及位移。 号节点）的应力、应变（即软件，求形心，用对于图出刚度矩阵 细节不要描述，直接写注意：单元刚度的求解；）的应变、应力、位移，（手工计算求板形心点，按有限元的解题步骤对于图求解下列问题： 构离散，节点三角形单元进行结。用泊松比的拉力，弹性模量承受。左端固定，右端角点，板厚，宽已知矩形薄板，长5P ANSYS 22)2(50100P 12)1(33.0,102E N 5001010020011--=?====u Pa cm t cm w cm l 图2-1 矩形薄板2单元结构离散方式 图2-2 矩形薄板4单元结构离散方式 X X Y Y P
1、何为有限元法？其基本思想是什么? 有限元法是一种基于变分法而发展起来的求解微分方程的数值计算方法，该方法以计算机为手段，采用分片近似，进而逼近整体的研究思想求解物理问题。 基本思想是化整为零集零为整。 2、为什么说有限元法是近似的方法，体现在哪里? 有两点：用离散单元的组合体来逼近原始结构，体现了几何上的近似；而用近似函数逼近未知变量在单元内的真实解，体现了数学上的近似。 3、单元、节点的概念? 节点：表达实际结构几何对象之间相互连接方式的概念 单元：网格划分中的每一个小部分称为单元，网格间相互联结点称为节点 4、有限元法分析过程可归纳为几个步骤? 结构离散化、单元分析、整体分析 5、有限元方法分几种？本课程讲授的是哪一种? 位移法、力法、混合法本课程讲授位移法 6、弹性力学的基本变量是什么？何为几何方程、物理方程及虚功方程？弹性矩阵的特点？ 弹性力学变量：外力、应力、应变和位移。 描述弹性体应变分量与位移分量之间的方程称为几何方程；物理方程描述应力分量与应变分量之间的关系；弹性体上外力在虚位移发生过程中所做的虚功与储存在弹性体内的需应变能相等。 弹性矩阵由材料的弹性模量和泊松比确定，与坐标位置无关。 7、何为平面应力问题和平面应变问题? 平面应力问题：在结构上满足a几何条件：研究对象是等厚度薄板。b载荷条件: 作用于薄板上的载荷平行于板平面且沿厚度方向均匀分布，而在两板面无外力作用。 平面应变问题：满足a几何条件：长柱体，即长度方向的尺寸远远大于横截面的尺寸，且横截面沿长度方向不变。b载荷条件：作用于长柱体结构上的载荷平行于横截面且沿纵向方向均匀分布，两端面不受力两条件的弹性力学问题。 1、何为结构的离散化？离散化的目的？何为有限元模型? ①离散化：把连续的结构看成由有限个单元组成的集合体。②目的：建立有限元计算模型③通常把由节点，单元及相应的节点载荷和节点约束构成的模型称为有限元模型 2、结构离散化时，划分单元数目的多少以及疏密分布，将直接影响到什么？确定单元数量的原则？通常如何设置节点？
一、 简答题（共40分，每题10分） 1. 论述单元划分应遵循的原则。 2. 说明形函数应满足的条件。 3. 说明四边形等参数单元中“等参数”的含义，即为什么要引入等参数单元。 4. 阐述边界元法的主要优缺点。 二、 计算题（共60分，每题20分） 1. 一杆件如图3所示，杆件上方固定后，在下方受垂直向下的集中力作用，已 知：杆件材料的杨氏模量2 721/100.3in lbf E E ?==，截面积2125.5in A =， 2275.3in A =，长度in L L 1221==，集中力lbf P 100=，用有限元方法求解B 点 和C 点位移。备注：（1）1 lbf （磅力，libra force ） = N 。（2）杨氏模量、弹性 模量、Young 氏弹性模量具有相同含义（10分） 2. 如图2 所示，有一正方形薄板，沿对角承受压力作用，厚度t=1m ，载荷 F=20KN/m ，设泊松比μ=0，材料的弹性模量为E ，试求它的应力分布。（15分） 学院 专业 学号 姓名 y 图1
图2 3. 图示结点三角形单元的124边作用有均布侧压力q，单元厚度为t，求单元的等效结点荷载。 图3
一、简答题 1. 答： 1）合理安排单元网格的疏密分布 2）为突出重要部位的单元二次划分 3）划分单元的个数 4）单元形状的合理性 5）不同材料界面处及荷载突变点、支承点的单元划分 6）曲线边界的处理，应尽可能减小几何误差 7）充分利用结构及载荷的对称性，以减少计算量 2. 答： 形函数应满足的三个条件： a.必须能反映单元的刚体位移，就是位移模式应反映与本单元形变无关的由 其它单元形变所引起的位移。 b.能反映单元的常量应变，所谓常量应变，就是与坐标位置无关，单元内所 有点都具有相同的应变。当单元尺寸取小时，则单元中各点的应变趋于相 等，也就是单元的形变趋于均匀，因而常量应变就成为应变的主要部分。 c.尽可能反映位移连续性；尽可能反映单元之间位移的连续性，即相邻单元 位移协调。 3. 答： 含义：所谓的等参数单元，就是在确定单元形状的插值函数和确定单元位移场的插值函数中采用了完全相同的形函数。 意义：构造出一些曲边地高精度单元，以便在给定地精度下，用数目较少地单元，解决工程实际地具体问题。 4. 答： 有限单元法是基于变分原理的里兹（Ritz）法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用子有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法．利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，面且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。有限单元法中所利用的主要是伽辽金（Galerkin）法。它可以用于已经知道问题的微分方程和
2 弹性力学问题的有限单元法 思考题 2.1 有限元法离散结构时为什么要在应力变化复杂的地方采用较密网格，而在其他地方采用较稀疏网格？ 答：在应力变化复杂的地方每一结点与相邻结点的应力都变化较大，若网格划分较稀疏，则在应力突变处没有设置结点，而使得所求解的误差很大，若网格划分较密时，则应力变化复杂的地方可以设置更多的结点，从而使得所求解的精度更高一些。 2.2 因为应力边界条件就是边界上的平衡方程，所以引用虚功原理必然满足应力边界条件，对吗？ 答：对。 2.3 为什么有限元只能求解位移边值问题和混合边值问题？弹性力学中受内压和外压作用的圆环能用有限元方法求解吗？为什么？答：有限元法是一种位移解法，故只能求解位移边值问题和混合边值问题。而应力边值问题没有确定的位移约束，不能用位移法求解，所以也不能用有限元法求解。 2.4 矩形单元旋转一个角度后还能够保持在单元边界上的位移协调吗？ 答：能。矩形单元的插值函数满足单元内部和单元边界上的连续性要求，是一个协调元。矩形的插值函数只与坐标差有关，旋转一个角度后各个结点的坐标差保持不变，所以插值函数保持不变。因此矩形单
元旋转一个角度后还能够保持在单元边界上的位移协调。 2.5 总体刚度矩阵呈带状分布，与哪些因素有关？如何计算半带宽？ 答：因素：总体刚度矩阵呈带状分布与单元内最大结点号与最小结点号的差有关。 计算：设半带宽为B ，每个结点的自由度为n ，各单元中结点整体码的最大差值为D ，则B=n(D+1)，在平面问题中n=2。 2.6 为什么单元尺寸不要相差太大，如果这样，会导致什么结果？ 答：由于实际工程是一个二维或三维的连续体，将其分为具有简单而规则的几何单元，这样便于网格计算，还可以通过增加结点数提高单元精度。在几何形状上等于或近似与原来形状，减小由于形状差异过大带来的误差。若形状相差过大，使结构应力分析困难加大，误差同时也加大。 2.7 剖分网格时，在边界出现突变和有集中力作用的地方要设置结点或单元边界，试说明理由。 答：有限元处于弹性力学问题的方法是离散法。它将一个受外力作用的连续弹性体离散成一定数量的有限小的单元集合体，单元之间只在结点上相互联系，即只有结点才能传递力。所以在边界出现突变和有集中力作用的地方要设置结点和单元边界。 2.8 为什么说三角形三结点单元是常应变单元，如果在每边中点增加一个结点，那么单元内应力如何分布？ 答：(1)应变矩阵[B]中的参数m j i m j i c c c b b b 、、、、、由坐标变量x 、y 之差确定。当单元的坐标差确定之后，这些参数与坐标变量x 、y 无关，
有限元考试试题及答案 一、简答题（5道，共计25分）。 1.有限单元位移法求解弹性力学问题的基本步骤有哪些？（5分） 答：（1）选择适当的单元类型将弹性体离散化； （2）建立单元体的位移插值函数； （3）推导单元刚度矩阵； （4）将单元刚度矩阵组装成整体刚度矩阵； （5）代入边界条件和求解。 2. 在划分网格数相同的情况下，为什么八节点四边形等参数单元精度大于四边形矩形单元？（5分） 答：在对于曲线边界的边界单元，其边界为曲边，八节点四边形等参数单元边上三个节点所确定的抛物线来代替原来的曲线，显然拟合效果比四边形矩形单元的直边好。 3.轴对称单元与平面单元有哪些区别？（5分） 答：轴对称单元是三角形或四边形截面的空间的环形单元，平面单元是三角形或四边形平面单元；轴对称单元内任意一点有四个应变分量，平面单元内任意一点非零独立应变分量有三个。 4.有限元空间问题有哪些特征？（5分） 答：（1）单元为块体形状。常用单元：四面体单元、长方体单元、直边六面体单元、曲边六面体单元、轴对称单元。（2）结点位移3个分量。（3）基本方程比平面问题多。3个平衡方程，6个几何方程，6个物理方程。 5.简述四节点四边形等参数单元的平面问题分析过程。（5）分） 答：（1）通过整体坐标系和局部坐标系的映射关系得到四节点四边形等参单元的母单元， 并选取单元的唯一模式； （2）通过坐标变换和等参元确定平面四节点四边形等参数单元的几何形状和位移模式；
（3）将四节点四边形等参数单元的位移模式代入平面问题的几何方程，得到单元应变 分量的计算式，再将单元应变代入平面问题的物理方程，得到平面四节点等参 数单元的应力矩阵； （4）用虚功原理求得单元刚度矩阵，最后用高斯积分法计算完成。 二、论述题（3道,共计30分）。 1. 简述四节点四边形等参数单元的平面问题分析过程。（10分） 答：（1）通过整体坐标系和局部坐标系的映射关系得到四节点四边形等参单元的母单元，并选取单元的唯一模式； （2） 通过坐标变换和等参元确定平面四节点四边形等参数单元的几何形状和位移模式； （3）将四节点四边形等参数单元的位移模式代入平面问题的几何方程，得到单元应变 分量的计算式，再将单元应变代入平面问题的物理方程，得到平面四节点等参 数单元的应力矩阵； （4）用虚功原理求得单元刚度矩阵，最后用高斯积分法计算完成。 2.轴对称问题的简单三角形单元是否是常应力，常应变？为什么？（10分） 答：不是常应力和常应变。 因为应变与位移分量的关系式为: ? ?????????????? ? ?????????????? ???? =????????????????????????+??????=??? ???????????=w u 010r r u r u }{rz z r r z z r r w z u z w γεεεεθ,这里除含有微分算符外，还包含了r 的倒数项1/r ,则即使位移模式为线性的，但由于该项的存在，使得应变与坐标有关， 即不会是常应变。应力应变的物理关系为{ }[]{}εσD = ，由于应变不是常应变，则所求得的应力也不会是常应力。