材料力学有限元分析知识点总结

有限元基础知识
嘿，朋友们！今天咱要来聊聊有限元基础知识啊，这可真是个超有意思的东西！
你们有没有玩过拼图游戏呀？有限元就有点像把一个复杂的东西，比如一个机器零件啦，拆分成好多好多小的部分，就像拼图的小块块一样。

比如说，你想想看一辆汽车，它那么复杂，要是直接去研究它可太难了。

但通过有限元，咱就可以把它分成一个个小区域，分别去分析、去理解，这不就简单多了嘛！
有限元就像是给我们一个探索复杂世界的秘密武器！它让那些看似遥不可及、搞不懂的东西变得清晰起来。

你知道吗？工程师们经常用这个方法来解决各种各样的问题呢！比如设计更牢固的桥梁，或者让飞机飞得更安全、更稳定。

就好比有一座摇摇欲坠的老桥，工程师们就可以用有限元方法，一点一点地分析每个部分，找出问题所在，然后想办法加固它，让它重新变得坚固可靠。

这多了不起啊！
那有限元具体是咋工作的呢？简单来说，就是先划分网格，这就像是给那个复杂的东西画格子。

然后再对这些小格子进行计算和分析。

就好像你在做数学题一样，一步步算出答案。

“哎呀，这听起来好难啊！”你可能会这么说。

但别害怕呀！一开始可能觉得有点难理解，但只要你深入进去，就会发现它的奇妙之处。

而且现在有好多软件可以帮我们进行有限元分析呢，超方便的！
总之，有限元基础知识是个非常有用、非常有趣的东西！它就像一把钥匙，能帮我们打开复杂工程世界的大门，让我们更好地去理解和创造。

大家赶紧去探索一下吧，相信你们一定会爱上它的！。

有限元动力学分析知识点复习目录一、模型输入、建模A 输入几何模型1、两种方法：No defeaturing 和 defeaturing（Merge合并选项、Solid实体选项、Small选项）2、产品接口。

输入IGES 文件的方法虽然很好，但是双重转换过程CAD > IGES > ANSYS 在很多情况下并不能实现100%的转换.ANSYS 的产品接口直接读入“原始”的CAD 文件，解决了上面提到的问题.3、输入有限元模型。

除了实体几何模型外， ANSYS 也可输入由某些软件包生成的有限元单元模型数据（节点和单元）。

B 实体建模1、定义实体建模：建立实体模型的过程。

（两种途径）1）自上而下建模：首先建立体（或面）,对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状.✓开始建立的体或面称为图元.✓工作平面用来定位并帮助生成图元.✓对原始体组合形成最终形状的过程称为布尔运算✓总体直角坐标系 [csys,0] 总体柱坐标系[csys,1]总体球坐标系[csys,2] 工作平面 [csys,4]2）自下而上建模：按照从点到线，从线到面，从面到体的顺序建立模型。

B 网格划分1、网格划分三步骤:定义单元属性、指定网格的控制参数、生成网格2、单元属性（单元类型 (TYPE)、实常数 (REAL)、材料特性(MAT)）3、单元类型单元类型是一个重要选项，它决定如下单元特性：自由度(DOF)设置、单元形状、维数、假设的位移形函数。

1）线单元（梁单元、杆单元、弹簧单元）2）壳用来模拟平面或曲面。

3）二维实体用于模拟实体截面4）三维实体✓用于几何属性，材料属性，荷载或分析要求考虑细节，而无法采用更简单的单元进行建模的结构。

✓也用于从三维CAD系统转化而来的几何模型，而这些几何模型转化成二维模型或壳体会花费大量的时间和精力4、单元阶次与形函数•单元阶次是指单元形函数的多项式阶次。

•什么是形函数?–形函数是指给出单元内结果形态的数值函数。

总结材料力学、弹性力学、有限元三门课程解决问题的思路和步骤，指出其异同点航天航空学院1334班艾松学号：4113006012杆件在多种外力共同作用下的变形(或内力)，可先分别求出各外力单独作用下杆件的变形(或内力)，然后将这些变形（或内力）叠加，从而得到最终结果。

②几何非线性问题。

若杆件变形较大，就不能在原有几何形状的基础上分析力的平衡，而应在变形后的几何形状的基础上进行分析。

这样，力和变形之间就会出现非线性关系，这类问题称为几何非线性问题。

③物理非线性问题。

在这类问题中，材料内的变形和内力之间（如应变和应力之间）不满足线性关系，即材料不服从胡克定律。

在几何非线性问题和物理非线性问题中，叠加原理失效。

解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂－恩盖塞定理或采用单解。

直角坐标系下的弹性力学的基本方程为：平衡微分方程（1）几何方程（2）解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。

有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。

在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个位载荷法等。

在许多工程结构中，杆件往往在复杂载荷的作用或复杂环境的影响下发生破坏。

例如，杆件在交变载荷作用下发生疲劳破坏,在高温恒载条件下因蠕变而破坏,或受高速动载荷的冲击而破坏等。

这些破坏是使机械和工程结构丧失工作能力的主要原因。

所以，材料力学还研究材料的疲劳性能、蠕变性能和冲击性能。

材料力学基本公式（解决问题方法）： 一、应力与强度条件 拉压：[]σσ≤=maxmax AN剪切：[]ττ≤=AQmax 挤压：[]挤压挤压挤压σσ≤=AP物理方程（3）(1)式中的σx、σy、σz、τyz=τzy、τxz=τzx、τxy=τyx 为应力分量，X 、Y 、Z 为单位体积的体力在三个坐标方向的分量；(2)式中的u 、v 、w 为位移矢量的三个分量（简称位移分量），εx、εy、εz、γyz、γxz、γxy 为应变分量；(3)式中的E 和v 分别表示杨氏弹性模量和泊松比。

有限元法及其应用考点总结简答题1.什么是有限元法？人为的将一个受力物体划分为有限个大小和有限量单元，这些结构单元在有限个节点上相互连接，组成整个受力物体，再通过几何和力学分析得到这些单元的应力、应变和位移的代数方程组。

利用计算机对代数方程组联立求解，就可求出各个单元的应力、应变和位移。

用有限元法求解结构的应力、应变和位移的步骤是什么？(1)将受力结构划分成单元，结构离散化(2)单元特性分析，单元位移模式选择(3)构造单元位移函数，建立单元的应力，应变，位移之间的关系(4)简历整体结构的平衡方程(5)利用计算机进行数值计算，求出节点的位移，应变，应力(6)输出单元，绘制应力应变的图形曲线。

2.说明弹性力学中的连续性假设？（1）物体是连续的（2）物体是线性弹性的（3）物体是均匀的各向同性的（4）物体的位移和应变微小3.解释并绘简图说明圣维南原理？在弹性体的一小部分边界上，将所作用的面力作静力等效变换只对力作用处附近的应力有影响，对离力作用处较远的应力几乎无影响。

4.说明什么情况下的受力问题，可以归结为轴对称问题？在空间问题中，如果弹性体的几何形状、约束状态，以及其他外在因素都是对称于某一根轴（过该轴的任一平面都是对称面），那么弹性体的所有应力、应变和位移也就都对称于这根轴。

这类问题通常称为空间轴对称问题。

有限元的轴对称问题，既结构轴对称，载荷轴对称，约束也是轴对称。

5.说明求解弹性力学问题的两种不同途径是什么？应力法和位移法。

应力法：应力（物理）应变（几何）位移位移法：位移（几何）应变（物理）应力6.说明单元刚度矩阵和整体刚度矩阵的含义，二者有何区别？单元：联系力分量与位移分量之间的关系。

性质：分块形式，物理意义，对称性，奇异矩阵整体：将单元刚度矩阵中的每个子块进行换码，换成对应的整体码，送到整体刚度矩阵中的对应位置上，如果有几个单元的对应子块，就进行叠加。

性质：对称性，稀疏性，带形分布，奇异矩阵。

有限元学习总结最近在看有限元这类问题，在这几天的时间里，我弄懂了有限元的一些基本知识，下面进行一些必要的总结。

离散化既是将连续体用假象的线或面分割成有限个部分，各部分之间用有限个点连接，每个部分称为一个单元，连接的点称为结点。

常用的单元离散有三节点三角形单元,六节点三角形单元,四节点四边形单元，八节点四边形单元以及等参元。

例如，对于平面问题,最简单最常用的离散方式是将其分解成有限个三角形单元。

有限元的基本思想：首先将其求解域离散为有限个单元，单元与单元在节点相互连接，即原始连续求解域用有限个单元的集合近似代替，我们称这是第一次近似。

对每个单元选择一个简单的场函数近似表示真实场函数在其上的分布规律，该简单函数可由单元节点上物理量来表示，通常称为插值函数或位移函数,这也是第二次近似。

有限元通常用的是两种方法，第一种是力法,也称柔度法,这是用内力作为问题的未知量，要得到控制方程，首先要使用平衡方程，然后进行协调方程找出必要的附加方程，结果是一组确定多余力或未知力的代数方程组。

第二种叫位移法,也称刚度法，假定节点位移作为问题的未知量。

我们比较常用的是位移法。

通过这段时间的学习，我了解到用有限元求到的解一般都偏小，原因是连续体的一部分,具有多个自由度，在假定了单元位移函数后，自由度限制为只有以节点位移表示的有限自由度，即位移函数对单元的变形进行了约束和限制，使单元的刚度较实际连续体加强了，因此，连续体的整体刚度随之增加，离散化后的刚度较实际的刚度k为大，所以，所求解的解偏小。

有限元分析的基本步骤：第一步,将结构进行离散化,包括单元划分，结点编号，单元编号，结点坐标计算,位移约束条件确定。

第二步，等效结点力的计算。

第三步,刚度矩阵的计算。

第四步,建立整体平衡方程，引入约束条件，求解结点位移。

第五步,应力计算.刚度矩阵具有什么特点：1刚度矩阵是对称矩阵,2每个元素有明确的物理意义，3刚度矩阵的主对角线上的元素总是正的,4刚度矩阵是一个稀疏矩阵，5刚度矩阵是一个奇异阵。

有限元知识点归纳1.、有限元解的特点、原因？答：有限元解一般偏小，即位移解下限性原因：单元原是连续体的一部分，具有无限多个自由度。

在假定了单元的位移函数后，自由度限制为只有以节点位移表示的有限自由度，即位移函数对单元的变形进行了约束和限制，使单元的刚度较实际连续体加强了，因此，连续体的整体刚度随之增加，离散后的刚度较实际的刚度K为大，因此求得的位移近似解总体上将小于精确解。

2、形函数收敛准则（写出某种单元的形函数，并讨论收敛性）P49(1)在节点i处N i=1,其它节点N i=0;(2)在单元之间，必须使由其定义的未知量连续；(3)应包含完全一次多项式；(4)应满足∑Ni=1以上条件是使单元满足收敛条件所必须得。

可以推证，由满足以上条件的形函数所建单元是完备协调的单元，所以一定是收敛的。

4、等参元的概念、特点、用时注意什么？（王勖成P131）答：等参元—为了将局部坐标中几何形状规则的单元转换成总体（笛卡尔）坐标中的几何形状扭曲的单元，以满足对一般形状求解域进行离散化的需要，必须建立一个坐标变换。

即：为建立上述的变换，最方便的方法是将上式表示成插值函数的形式，即：其中m是用以进行坐标变换的单元节点数，xi,yi,zi是这些结点在总体（笛卡尔）坐标内的坐标值，Ni’称为形状函数，实际上它也是局部坐标表示的插值函数。

称前者为母单元，后者为子单元。

还可以看到坐标变换关系式和函数插值表示式：在形式上是相同的。

如果坐标变换和函数插值采用相同的结点，并且采用相同的插值函数，即m=n，Ni’=Ni,则称这种变换为等参变换。

5、单元离散？P42答：离散化既是将连续体用假想的线或面分割成有限个部分，各部分之间用有限个点相连。

每个部分称为一个单元，连接点称为结点。

对于平面问题，最简单、最常用的离散方式是将其分解成有限个三角形单元，单元之间在三角形顶点上相连。

这种单元称为常应变三角形单元。

常用的单元离散有三节点三角形单元、六节点三角形单元、四节点四边形单元、八节点四边形单元以及等参元。

总结材料力学、弹性力学、有限元三门课程解决问题的思路和步骤，指出其异同点航天航空学院1334班艾松学号：4113006012线性关系，这类问题称为几何非线性问题。

③物理非线性问题。

在这类问题中，材料内的变形和内力之间〔如应变和应力之间〕不满足线性关系，即材料不服从胡克定律。

在几何非线性问题和物理非线性问题中，叠加原理失效。

解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂－恩盖塞定理或采用单位载荷法等。

在许多工程构造中，杆件往往在复杂载荷的作用或复杂环境的影响下发生破坏。

例如，杆件在交变载荷作用下发生疲劳破坏,在高温恒载条件下因蠕变而破坏,或受高速动载荷的冲击而破坏等。

这些破坏是使机械和工程构造丧失工作能力的主要原因。

所以，材料力学还研究材料的疲劳性能、蠕变性能和冲击性能。

材料力学根本公式〔解决问题方法〕： 一、应力与强度条件 拉压：[]σσ≤=maxmax AN平衡微分方程〔1〕几何方程〔2〕物理方程〔3〕成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。

有限元方法最早应用于构造力学，后来随着计算机的开展慢慢用于流体力学的数值模拟。

在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个剪切：[]ττ≤=AQ max挤压：[]挤压挤压挤压σσ≤=AP圆轴扭转：[]ττ≤=W tTmax 平面弯曲： ①[]σσ≤=maxzmax W M②[]max t max t maxmax σσ≤=y I M z t max c max maxy I Mzc =σ[]cnax σ≤ ③[]ττ≤⋅=bI S Q z *max z max max斜弯曲：[]σσ≤+=maxyyz z max W M W M拉〔压〕弯组合：[]σσ≤+=maxmax zW MA N[]t max t z max t σσ≤+=y I M A N z []c max c z z max c σσ≤-=ANy I M 圆轴弯扭组合： ① 第三强度理论[]στσσ≤+=+=z2n2w2n 2w r34W M M(1)式中的σx 、σy 、σz 、τyz=τzy 、τxz=τzx 、τxy=τyx 为应力分量，X 、Y 、Z 为单位体积的体力在三个坐标方向的分量；(2)式中的u 、v 、w 为位移矢量的三个分量〔简称位移分量〕，εx 、εy 、εz 、γyz 、γxz 、γxy 为应变分量；(3)式中的E 和v 分别表示杨氏弹性模量和泊松比。

有限元法的力学基础有限元法是一种数值分析方法，利用数学和计算机技术解决实际工程问题。

其力学基础主要包括材料力学、结构力学和数值分析。

一、材料力学有限元法的首要任务是分析工程结构的受力情况，而这涉及到材料的应力和应变等基本力学问题。

材料力学是有限元法的基础，它研究材料在外力作用下变形和破坏的规律及其数学描述。

在计算中，材料本构方程是将应力和应变联系起来的核心方程式，通过解析材料的物理特性，可以建立精确的应力-应变关系。

应力是物体受力过程中单位面积所受的力。

在研究材料力学问题时，应力通常分为三个方向：轴向应力、切向应力和法向应力。

材料因内部力的作用而使形状改变的现象称之为应变。

应变分为线性应变和非线性应变两种类型。

材料的本构方程则是将应力和应变通过数学公式联系起来，其中最重要的参数是杨氏模量、泊松比、屈服强度等材料力学性质指标。

二、结构力学有限元法主要应用于结构力学中，因为任何实际的结构都受到力的作用，这些力包括静载、动载、温度变化等。

结构力学是研究结构受力和变形状态的学科，它的核心是研究结构刚度和强度等性质。

结构刚度是指结构抵抗外界力的能力，强度则是指结构承受载荷发生破坏前的最大强度。

在有限元法中，将结构划分成有限个小单元，然后使用材料力学原理及结构力学原理计算每个小单元的应力和应变及整个结构的位移。

通过建立坐标系，可以把每个小单元在局部坐标系下的变形通过旋转变换到全局坐标系下。

将各个小单元的变形叠加起来，就可以求得整个结构的位移和变形。

三、数值分析有限元法是一种数值分析方法，因此数值分析对于有限元法的运用也是相当重要的。

数值分析是研究利用数值方法解决科学和工程问题的一门学科。

有限元法可以通过数学公式和计算机程序来模拟物理现象，从而得出求解问题的解。

数值分析中最重要的就是数值计算误差和截断误差的控制，只有通过合理的参数设置和计算方法，才能得到高精度的结果。

总体来看，有限元法的力学基础涉及材料力学、结构力学和数值分析三个方面。

有限元知识点汇总第一章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。

》基本思想：化整为零，化零为整2、为什么说有限元法是近似的方法，体现在哪里？》有限元法的基本思想是几何离散和分片插值；》用离散单元的组合来逼近原始结构，体现了几何上的近似；用近似函数逼近未知量在单元内的真实解，体现了数学上的近似；利用及问题的等效的变分原理建立有限元基本方程，又体现了明确的物理背景。

3、单元、节点的概念？》单元：把参数单元划分成网格，这些网格就称为单元。

》节点：网格间相互连接的点称为节点。

4、有限元法分析过程可归纳为几个步骤？》3大步骤；——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？》有限元方法分3种；——位移法、力法、混合法。

》本课程讲授的：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？》弹性力学的基本变量是——{外力、应力、应变、位移}》几何方程——{描述弹性体应变分量及位移分量之间关系的方程}》物理方程——{描述应力分量及应变分量之间的关系}》虚功方程——{描述内力和外力的关系的方程}》弹性矩阵特点——{ }7、何为平面应力问题和平面应变问题？》平面应力问题——{满足（1）几何条件——所研究的是一根很薄的等厚度薄板，即一个方向上的几何尺寸远远小于其余两个面上的几何尺寸;（2）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，而在两板面上无外力作用}》平面应变问题——{满足（1）几何条件——所研究的是长柱体，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；（2）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}第二章1 何为结构的离散化？离散化的目的？何为有限元模型？答：⑴所谓离散化，是用假想的线或面将连续物体分割成由有限个单元组成的集合体。

有限元教学内容总结对知识掌握得如何，可以从他对这些知识的概括能力来判断。

对一门课程学得好，那么可以用一句话对这门课程做一个经典的概括，也可以用一堂课对这门课的内容作一次简练而精彩的报告，也可以用几十个学时对这门课的内容作全面的讲解。

我们的复习，希望能从这门课的核心部分开始，逐步向外展开。

希望抓住核心内容这个节点，就能象一张网一样，将主要内容连接在一起。

一、核心部分有限元的基本思路：化整为零，集零为整。

有限元的基本概念：节点，单元。

有限元的基本方程：结构的整体刚度方程{}[]{}P K δ=[K]为整体刚度矩阵；{P}为节点载荷列阵；{δ}为节点位移列阵。

二、骨干部分（整体刚度方程如何得来？如何解？）（一）如何得来？（[K]如何得来？{P}如何得来？）1. [K]如何得来？（e k ⎡⎤⎣⎦如何得来？如何坐标变换？如何组集？） （1）e k ⎡⎤⎣⎦如何得来？（直接法，变分法） Ⅰ. 直接法基本原理：位移法基本步骤：（Ⅰ）由杆件基本变形中的内力与变形间的关系得到单元刚度方程{}{}e e e F k δ⎡⎤=⎣⎦式中：e k ⎡⎤⎣⎦为单元刚度矩阵；{}e δ为单元位移列阵；{}e F为单元节点力列阵。

（Ⅱ）由单元刚度方程得单元刚度矩阵e k ⎡⎤⎣⎦Ⅱ. 变分法基本原理：最小势能原理基本步骤：（Ⅰ）求单元位移函数假设：{}[]{}0δα=Φ，要求具有连续性（单元内位移连续）、协调性（相邻单元间位移连续）、完备性（有刚体位移项和常应变项），收敛的必要条件。

式中：{}δ为单元内任意点的位移列阵；[]0Φ为与单元内任意点坐标相关的矩阵；{}α为待定系数列阵。

将单元各节点坐标代入上式，得：{}[]{}eδα=Φ式中：{}e δ为单元节点位移列阵；[]Φ为与单元节点坐标相关的矩阵。

由上式得：{}[]{}1e αδ-=Φ将上式代入假设的位移插值函数得：{}[]{}e N δδ=式中：[N]为形函数矩阵（Ⅱ）求应变矩阵利用几何方程，对位移函数求导得：{}[]{}e B εδ=式中：[B]为单元应变矩阵；{}ε为单元内任意点的应变列阵。

总结材料力学、弹性力学、有限元三门课程解决问题的思路和步骤，指出其异同点航天航空学院1334班艾松学号：4113006012杆件在多种外力共同作用下的变形(或力)，可先分别求出各外力单独作用下杆件的变形(或力)，然后将这些变形（或力）叠加，从而得到最终结果。

②几何非线性问题。

若杆件变形较大，就不能在原有几何形状的基础上分析力的平衡，而应在变形后的几何形状的基础上进行分析。

这样，力和变形之间就会出现非线性关系，这类问题称为几何非线性问题。

③物理非线性问题。

在这类问题中，材料的变形和力之间（如应变和应力之间）不满足线性关系，即材料不服从胡克定律。

在几何非线性问题和物理非线性问题中，叠加原理失效。

解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂－恩盖塞定理或采用单位载荷法解。

直角坐标系下的弹性力学的基本方程为：平衡微分方程（1）几何方程（2）物理方程（3）(1)式中的σx、σy、σz、τyz=τzy、τxz=τzx、τxy=τyx为应力分量，X、Y、函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。

有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。

在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单二、变形及刚度条件 拉压：∑⎰===∆LEAxx N EAL N EANLL d )(ii 扭转：()⎰=∑==Φpp i i p GI dx x T GI L T GI TLπφ0180⋅=Φ=p GI T L弯曲：(1)积分法：)()(''x M x EIy =C x x M x EI x EIy +==⎰d )()()('θD Cx x x x M x EIy ++=⎰⎰d ]d )([)((2)叠加法：()21,P P f …=()()21P f P f ++…()21,P P θ=()()++21P P θθ…三、应力状态与强度理论 二向应力状态斜截面应力：ατασσσσσα2sin 2cos 22xy yx yx --++=ατασστα2cos 2sin 2xy yx +-=二向应力状态极值正应力及所在截面方位角：到。