有限元非线性计算特点

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线性和非线性有限元

线性和非线性有限元
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• 线性有限元方法 • 非线性有限元方法 • 线性与非线性有限元的比较 • 线性与非线性有限元的实例分析 • 未来研究方向与展望
01
线性有限元方法
定义与原理
定义
线性有限元方法是一种数值分析方法，用于求解偏微分方程的近似解。它将复杂的求解区域离散化为有限个小的、简单的子区域，即有限元，然后对每个有限元进行求解，最终得到原偏微分方程的近似解。
THANK YOU
感谢聆听
在实际应用中，应根据问题的特性和需求选择合适的有限元方法。对于复杂的问题，可能需要结合多种有限元方法进行求解。
05
未来研究方向与展望
线性有限元方法的改进与优化
80%
高效求解算法
研究更快速、稳定的线性有限元求解算法，提高计算效率。
100%
自适应网格生成
发展更智能、自动的网格生成技术，以适应复杂几何形状和边界条件。
线性有限元
由于线性有限元基于线性方程组进行求解，因此计算复杂度相对较低，适用于求解一些较简单的问题，如弹性力学问题。
非线性有限元
非线性有限元需要求解非线性方程组，计算复杂度较高，但能够处理更复杂的问题，如塑性力学、流体力学等领域的问题。
精度比较
线性有限元
对于一些简单的问题，线性有限元可以给出较为精确的结果。然而，对于一些复杂的问题，线性有限元可能无法准确描述非线性行为。
80%
多物理场耦合
研究线性有限元在多物理场耦合问题中的应用，如流体-结构、电磁-热等。
非线性有限元方法的改进与优化
高阶非线性有限元
发展高阶非线性有限元方法，以更精确地描述复杂非线性行为。

非线性结构有限元分析概论

一、线性问题的基本方程
由复杂结构受力平衡问题的虚功方程有:
v T dv vuT qvdv suT qsds u0T R0
vmu
T
••
u dv
v
Du
T
•
u
dv
（10-1）
上式左端为内力的虚功，右端为外力的功。
由于： u N u Bu C
式中 u 为单元体内的位移； u为节点位移； N 形函数阵；
t t t
T
S t t t
dvt
W t t
（10-18）
返回
其中：
W tt o
tv
u
T
q tt tv
中推荐采用BFGS法。
程序对几何非线性的考虑可采用完全的拉格朗
日公式或改进的拉格朗日公式。在非线性动态分析
中采用隐式时间积分（Newmarli法和Wilson- 法）或显式时间积分（中心差分法）的方法。隐式时间
积分通常用来分析结构的振动问题，显式时间积分
主要用来分析波传布现象。
返回
第一节有限元基本方程
解此方程也用隐式时间积分，显式时间积分或振形迭加
法求解。
返回
二、非线性问题的基本方程
对于非线性问题通常不能用一步直接求解方案，必须分成
若干步加载,按各个阶段不同的非线性性质逐步求解，即增量求
解方案。
1.增量形式的平衡方程：
已知设：0，△t，2△t‥‥的位移和应力（各载荷步的）
要求出：t+△t步时的位移和应力。
ov oe T o
o e dv
ov
o
T
t o
SdvtW t o来自ovoe Tt o
S
dv

非线性有限元分析1

非线性问题的类型和求解特点1 非线性问题的类型1. 1 线性分析的含义在有限元分析中的线性假设包含下列含义：即结点位移为无限小量，材料为线弹性，加载时边界条件的性质保持不变。

于是，静力平衡方程可以表示为：[]{}{}R U K = (2.1)其中，[]K 为刚度矩阵，{}R 为荷载矢量。

由于[]K 和{}R 的元素为常数，故位移响应{}U 是荷载矢量{}R 的线性函数。

也就是说，如果{}R 变为{}R α，则{}U 变为{}U α，其中，α为常数。

这就是所谓的线性有限元分析。

如果上述假设中的任何一条不能得到满足，那么就属于非线性有限元分析。

1. 2 非线性分析的必要性结构力学问题，从本质上讲都是非线性的，线性假设只是实际工程问题的一种简化。

当然，任何实际工程问题的求解都避免不了适当地简化，简化是否合理主要应根据求解效果和实际经验来判断。

对于目前工程实际中的很多问题，如地震作用下结构的弹塑性动力响应，高层建筑抗风，大跨度网壳结构动力稳定性，索膜结构找形荷载与裁减分析，大型桥梁风致振动等问题的研究，仅仅假设为线性问题是很不够的，常常需要进一步考虑为非线性问题。

因此，对各种工程结构的非线性分析就是必不可少且日趋重要了。

对于结构力学的非线性问题来说，有限单元法是最为有效的数值分析方法。

1. 3 非线性问题的类型通常，把非线性问题分为两大类，即分为几何非线性和材料非线性。

但从建立基本方程和程序设计的方便出发，又可分为三种类型：1．材料非线性：非线性效应仅由应力应变关系的非线性引起，位移分量仍假设为无限小量，故仍可采用工程应力和工程应变来描述，即仅材料为非线性。

非线性的应力应变关系是结构非线性的常见原因，许多因素都可以影响材料的应力应变性质，包括加载历史（如在弹塑性响应状况下），环境状况（如温度），加载的时间总量（如在蠕变响应状况下）等。

2．几何非线性：如果结构经受大变形，则变化了的几何形状可能会引起结构的非线性响应，这又可以分为两种情形：第一种情形，大位移小应变。

非线性有限元法综述

非线性有限元法综述摘要：本文针对非线性有限元法进行综述，分别从UL列式及TL列式、CR列式、几何精确梁、壳理论三个方面介绍其分析思路和发展动态，旨在为相关学者提供一些思路参考。

关键词：几何非线性；UL列式；TL列式；CR列式；几何精确梁、壳理论1引言几何非线性是由于位置改变引起了结构非线性响应。

进行结构几何非线性分析，实质上就是要得到结构真实的变形与受力情况。

有限元方法是进行结构几何非线性分析的最成熟的方法，也是应用最广泛的分析方法.2非线性有限元法研究思路非线性有限元法主要指UL列式法、TL列式法、CR列式法和几何精确梁、壳理论等，它们有着基本相同的思路，即利用虚功原理建立平衡方程。

方程中充分考虑了非线性因素对结构应变和应力的影响，也就是将线性应变和非线性应变都代入到表达式中，然后确定单元的本构关系并选取合适的形函数，导出单元对应的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵，再选取合适的增量-迭代算法进行求解，由此就完成了结构的整个几何非线性分析求解过程。

非线性有限元法将结构的变形过程划分为三个主要阶段：C0状态、C1状态和C2状态，如图1所示。

图1 单元的变形C0状态是单元的初始状态，C1状态是单元受力变形后上一次处于平衡的状态；C2状态是单元的当前状态，也就是所求的状态。

2.1UL法和TL法研究思路UL法和TL法为几何非线性问题提供了新的分析思路。

这两种方法本质上没有很大区别，但是方程建立的参考状态有所不同。

完全拉格朗日法(TL法)是以结构变形前C0状态为参考建立平衡方程的，考虑结构从C0状态到C2状态之间的变形；而更新的拉格朗日法(UL法)以结构变形后C1状态为参考建立平衡方程的[2]，考虑结构从C1状态到C2状态之间的变形。

两种拉格朗日法的主要形式如下：（1）TL列式（2）UL列式从上面两式可以看出：TL法和UL法的另一个不同是TL法的增量平衡方程中考虑了初位移矩阵的影响，而UL法则忽略了其影响，只考虑了弹性刚度矩阵和初应力矩阵的影响。

非线性有限元分析报告

非线性有限元分析1 概述在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们所应遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件（边界条件）。

但能够用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，并且几何形状相当规则的问题。

对于大多数工程实际问题，由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的答案。

这类问题的解决通常有两种途径。

一是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理的情况，从而得到问题在简化状态下的解答。

但是这种方法只是在有限的情况下是可行的，因为过多的简化可能导致误差很大甚至是错误的解答。

因此人们多年来一直在致力于寻找和发展另一种求解途径和方法——数值解法。

特别是五十多年来，随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具。

已经发展的数值分析方法可以分为两大类。

一类以有限差分法为代表，主要特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。

其具体解法是将求解区域划分为网格，然后在网格的结点上用差分方程来近似微分方程，当采用较多结点时，近似解的精度可以得到改善。

但是当用于求解几何形状复杂的问题时，有限差分法的精度将降低，甚至发生困难。

另一类数值分析方法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效的积分提法，然后再建立近似解法并求解。

如果原问题的方程具有某些特定的性质，则它的等效积分提法可以归结为某个泛函的变分，相应的近似解法实际上就是求解泛函的驻值问题。

诸如里兹法，配点法，最小二乘法，伽辽金法，力矩法等都属于这一类方法。

但此类方法也只能局限于几何形状规则的问题，原因在于它们都是在整个求解区域上假设近似函数，因此，对于几何形状复杂的问题，不可能建立合乎要求的近似函数。

1960年，R.W.CLOUGH发表了有限单元法的第一篇文献“The Finite Element Method in Plane Stress Analysis”，这同时也标志着有限单元法（FEM）的问世。

线性和非线性有限元分析

Strain-rate dependence of tensile response of cortical bone. (Adapted from J. H. McElhaney, J. Appl. Physiology, 21(1966) 1231.)‫‏‬
为何线性有限元
• 线性元是对自然界非线性问题的小范围和小规模逼近 • 线性材料是人为假设的 • 人类在构造建筑和机械结构时假设它们不会在人造环境和人为的载荷条件下产生大的物理量变 • 线性有限元可以解决大部分民用建筑结构和民用机械结构问题 • 非线性问题可以用多个线性问题的解来逼近
ZIENKIEWICZ &CHANG popularize the method with the practicing engineering community (有限元在工程界广泛推广） IRONS &RAZZAQUE frontal solution technique successful implementation of finite elements (成功应用单元前沿刚度矩阵方程解法） isoparametric elements , modern finite element methods （参数元，从长现代有限元） theory of distributions, generalized functions, weak solutions of pde’s （广义函数，偏微分方程弱解） the decade of the mathematics of finite elements (数学家的十年）
几何非线性：
• • • Large deformation （线性和非线性材料大变形） Contact Non linearity（线性材料接触和非线性材料接触） Nonlinear Buckling （线性和非线性材料屈曲）

有限元非线性分析

13.2 线性和非线性FEA对比
下表简要列出了线性和非线性有限元分析之间的主要不同。关于荷载-位移关系、应力-应变关系、应力-应变度量等主要不同将在本章详细介绍。
序号 1.
特征荷载-位移关系
2.
应力-应变关系
3.
比例缩放
4.
线性叠加
5.
可逆性
6.
求解序列
7.
计算时间
8.
用户与软件的交互
13.3 非线性的类型
2）对数应变和真实应力对数应变/自然应变/真实应变是度量大应变的方法，计算公式如下：
它是非线性应变的度量，因此是关于最终长度的非线性函数。与线性应变相比，对数应变（或真实应变）是可加
的。考虑一个初始长度为1m的杆经过下面3步的变形：第1步：从1m 变形至1.2m 第2步：从1.2m 变形至1.5m 第3步：从1.5m变形至2m 在下表中我们比较了工程应变和真实应变。可以清楚地看到，只有真实应变是可加的，因此在非线性分析中应该
13.6 非线性静力分析的一般流程
一个典型的非线性静力分析项目需要以下步骤：
网格划分：有限元模型的创建是有限元分析一个非常重要的步骤，不论进行什么样的分析。在第4-7章已经讨论过对于某些应用的如何选择适当的单元类型。FEA小组会得到零件的几何数据，需要对这些几何进行网格划分以得到零件网格。当装配中所有的零件划分网格后，使用适当的连接单元把它们都连接在一起如CWELD或CBUSH。一般来说，四边形单元和六面体单元优于三角形单元、楔形单元和四面体单元。应该注意模型中的关键特征，比如圆角、孔和倒角。如果在两个平行表面之间有紧固件或焊接，应该尽量在两个面上创建相似的网格。这将有助于焊接单元或刚性单元垂直于表面而不破坏壳单元。然而，许多有限元分析（FEA）代码支持不依赖于节点焊接，而是基于绑定接触。这允许用户在两个焊接零件之间创建不依赖于节点的连接单元。建议首先对复杂零件进行网格划分，然后对简单或平面几何进行网格划分以保证良好的单元质量。需要用适当的方式来模拟夹紧、铰接和焊接以在结构中正确地传递荷载。为单元定义适当的刚度和预荷载以得到更高的精度。如果荷载从结构上的某个面传递到另一个面上，应该在两个面间定义接触。每个FEA代码都有自己的接触参数输入格式。一个典型的接触定义需要主从节点或单元，摩擦系数，接触面间的间隙和接触算法。

有限元方法中材料非线性计算综述

6
(non-associated flow)。关联流动中使用了屈服函数作为流动势。关联流动用来描述由位错诱发的塑性流动， ABAQUS® 中除铸铁外的一般金属与 Cam-Clay 土力学模型采用了关联流动的格式。非关联流动在处理摩擦型塑性流动方面比关联流动更好，Mohr-Coulomb 和 Drucker-Prager 等模型使用了非关联流动。关联流动集成的刚度矩阵 K ep 是对称矩阵，在材料不出现软化现象的时候
, H 0
(3)
5
其中 H H1 , H 2 , 为后继屈服条件中的内变量，表征了材料的强化、粘性等各种复杂性质，其表达形式也可以非常复杂。塑性力学中常用的 Tressca 屈服准则和 Mises 屈服准则是的两种特殊形式。Mises 屈服准则的应用较多一些，其屈服与金属拉伸试验结果吻合得更好，而且其函数形式比较光滑。 Mises 屈服准则为：
2
Newton-Raphson 方法要求在给定 u 的时候计算的切线刚度 K ep ， K ep f int u u 。
K ep 与材料的状态有关， K ep 的计算将在后文中提及，现在假定在给定 u 的情况下 K ep 已经算出。
(a) Newton-Raphson 法图1
(b) Quasi-Newton 法
K ep 还是正定的，容易求解。而非关联流动集成的刚度矩阵是不对称的，容易导
致求解失败。除了以上与率不相关的塑性流动外，粘塑性计算中需要定义率相关的流动法则，粘性流动率通常是与应力相关的。常见的粘塑性流动法则有： Bingham 模型：
k , Mises 0 Mises Mises 0 0,
3

非线性有限元解法

于是方程的解为 u ( KT ( un ,n ))1( R ( un ,n )) ( KT ( un ,n ))1( n1R P( un ))
(9)
(10 )
•在增量方法中通常引入载荷因子λ,用 R R表示载荷，于是非线性有限
元方程可写成： ( u, ) P( u ) R 0
(1)
用载荷因子λ系列： 0 0 1 2 M 1
(2)
相应于不同的载荷。
若相应于载荷因子 n 的解已经求得，记为 u un ，则 ( un ,n ) P( un ) n R 0
KT n
KT ( un
)
un
(8)
un1 un un
其收敛判据与直接迭代法的收敛判据雷同。
非线性有限元方程组的解法（增量法）
•求解非线性方程组的另一类方法是增量方法。使用增量方法的一个优点是可以得到整个载荷变化过程的一些中间的数值结果。当问题的性质与加载的历史有关时，例如弹塑性问题，则必须采用增量方法。
u1 ( K1 )1 R
据此容易写出直接迭代法的迭代公式：
Kn K( un )
un1 ( K n )|1 R
(2)
按照这种迭代公式可以得到一个解数列 { un } ，当这个数列收敛时停止计
算，其数列收敛值就是方程（1）的解。
非线性有限元方程组的解法（直接迭代法）
关于数列收敛的判据，可以采用各种各样的范数定义和收敛判据。若设第 n
( un ) K( un )un R 0
(7)
该值可作为对偏离平衡的一种度量（称为失衡力），收敛判据可相应地取为：
( un ) R
(8)
（失衡力收敛判据）
非线性有限元方程组的解法（牛顿法）
把非线性有限元方程记为： ( u ) P( u ) R 0 (1)

非线性有限元方法及实例分析

非线性有限元方法及实例分析梁军河海大学水利水电工程学院，南京（210098）摘要：对在地下工程稳定性分析中常用的非线性方程组的求解方法进行研究，讨论了非线性计算的迭代收敛准则，并利用非线性有限元方法分析了一个钢棒单轴拉伸的实例。

关键词：非线性有限元，方程组求解，实例分析1引言有限单元法已成为一种强有力的数值解法来解决工程中遇到的大量问题，其应用范围从固体到流体，从静力到动力，从力学问题到非力学问题。

有限元的线性分析已经设计工具被广泛采用。

但对于绝大多数水利工程中遇到的实际问题如地下洞室等，将其作为非线性问题加以考虑更符合实际情况。

根据产生非线性的原因，非线性问题主要有3种类型[1]：1．材料非线性问题（简称材料非线性或物理非线性） 2．几何非线性问题3．接触非线性问题（简称接触非线性或边界非线性）2 非线性方程组的求解在非线性力学中，无论是哪一类非线性问题，经过有限元离散后，它们都归结为求解一个非线性代数方程组[2]：()()()00021212211=……==n n n n δδδψδδδψδδδψΛΛΛ （1.1）其中n δδδ,,,21Λ是未知量，n ψψψ,,,21Λ是n δδδ,,,21Λ的非线性函数，引用矢量记号[]T n δδδδΛ21＝（1.2） []T n ψψψψΛ21= （1.3）上述方程组（1.1）可表示为()0=δψ （1.4）可以将它改写为()()()0=−≡−≡R K R F δδδδψ （1.5）其中()δK 是一个的矩阵，其元素是矢量的函数，n n ×ijk R 为已知矢量。

在位移有限元中，δ代表未知的结点位移，()δF 是等效结点力，R 为等效结点荷载，方程()0=δψ表示结点平衡方程。

在线弹性有限元中，线性方程组0＝－R K δ （1.6）可以毫无困难地求解，但对线性方程组()0=δψ则不行。

一般来说，难以求得其精确解，通常采用数值解法，把非线性问题转化为一系列线性问题。

非线性有限元

Ki-1
（三）混合法如对同一非线性方程组混合使用增量
法和迭代法，则称为混合法或逐步迭代法。一般在总体上采用Euler增量法，而在
同一级荷载增量内，采用迭代法。
Ki-1
刚度的取值可根据给定的应力-应变曲线导出。若每级计算都采用上一级增量计算终了时的刚度值，则称为始点刚度法。
Ki-1
始点刚度法类似于解微分方程初值问题的欧拉(Euler)折线法，计算方法简单但计算精度较低，容易“漂移”。
若采用中点刚度法则可以提高精度。该法类似于解常微分方程初值问题的龙格-库塔（Runge-Kutta）法，包括中点切线刚度法和中点平均刚度法。
(1) 直接迭代法对非线性方程组
设其初始的近似解为，由此确定近似的
矩阵
可得出改进的近似解
重复这一过程，以第i次近似解求出第i＋1 次近似解的迭代公式为直接迭代法
对非线性方程组
直到变得充分小，即近似解收敛时，终止迭代。
在迭代过程中,得到的近似解一般不会满足作为对平衡偏离的一种度量，称为失衡力。
q-Newton—Raphson迭代法的计算过程
（2）初应力法如果在弹性材料内确实存在初应力，则材料的应力应变关系为
由上式及虚功原理可导出单元的结点力为
集合单元得出以下的有限元方程式中，为由初应力引起的等效结点荷载
初应力法就是将初应力看作是变化的，以此来反映应力和应变之间的非线性关系。通过不断地调整初应力，使线弹性解逼近非线性解。
接触非线性由于接触体的变形和接触边界的摩擦作用，
使得部分边界条件随加载过程而变化，且不可恢复。这种由边界条件的可变性和不可逆性产生的非线性问题，称为接触非线性。
材科非线性有限元法材料非线性是由本构关系的非线性引

材料非线性有限元分析

1 ijkl
e p 1 d ij d ij d ij Dijkl d kl f , ij d
A f , p Dijkl f , kl M
ij
dij ( D
dij ( D
1 ijkl
H (l ) f , ij f , kl )d kl Dep1,ijkl d kl A
1 J 2 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 ] 6 2 2
随动强化的米塞斯屈服准则
这种材料的屈服面方程为
p ij 1 1 p p f ( sij , , k ) [ ( sij ij )( sij ij )] 2 0 0 2
kk pp

纯剪
单向拉伸
Gp是塑性剪切模量
Ep是塑性拉伸模量
A f , p Dijkl f , kl M
ij
f , kl Dijkl f , kl
s ij G 2J 2G s ij G 2 2 2
由此可得A=G+Gp（或A=G+Ep/3），又因 1 1G G p Dijkl Dijkl f , kl Dklij f , kl sij skl A A 1 G G G 2 s ij s ij s kl s 2 kl G Gp G Gp p p d ij Dijkl d kl 由此可得弹塑性矩阵为
J 2 sij sij / 2
，因此
由于偏张量第一不变量＝0
J1 sii 0
1 2 2 2 J 2 [( s11 s22 ) 2 ( s22 s33 ) 2 ( s33 s11 ) 2 ] s12 s23 s31 6

非线性固体力学及其有限元法

非线性固体力学及其有限元法作者：王难烂来源：《科技创新导报》 2013年第7期王难烂（武汉科技大学武汉 430065）摘?要：固体力学的研究对象是可变性固体，可变性固体在载荷，温度，湿度等外界因素的影响下内部各个质点发生的位移、运动、应力、应变还有破坏规律等。

该文通过对不协调位移元、杂交应力元以及混合应变元三方面举例说明有限元法在非线性固体力学中的应用。

关键词：非线性固体力学有限元法中图分类号：O175文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）03（a）-0-01第二次世界大战后发展起来的现代固体力学有两个特点，其中一个便是有限元法和电子计算机在固体力学中的广泛应用。

有限元法凭借其概念清楚，容易理解，适用性强，应用范围广和采用矩阵方式表达，便于编制计算机程序等优点在固体力学中发展迅速，解决了很多复杂问题。

1 固体力学的特点1.1 基础与工程的双重特点鲜明在研究内容方面涉及工程材料破坏与工程结构破坏的两个方面。

研究工程材料、工程结构和高技术结构的破坏行为，探索其中蕴含的力学规律。

探讨降低破坏所造成的经济损失和社会效应的科学方法，建立新的理论、新的设计方法、新的计算方法、新的实验技术，并升华到能够建立新的国家标准和新的结构完整性评估方法和可靠性判据，为设计和改进具有更卓越力学行为和可靠性的工程材料、工程结构和高技术结构提供理论基础与准则。

解决各种工程材料的破坏失效表征和工程结构与高技术结构的完整性评[1]。

1.2 广泛的学科交叉性由于力学理论、方法的普适性，以及力学现象遍及自然界和人类活动的各个层面，因此，一方面作为力学中的一门基础性分支的固体力学必须结合现代数学等学科的新概念、新方法，发展其基本理论以研究力与热、电、化学及生命领域的相互作用，实现从原子、分子的微观结构，到纳米结构、细观显微结构，直至宏观结构的多尺度关联理论框架的建立[2]。

另一方面，固体力学和几乎所有的工程学科相交叉、渗透。

第八章几何非线性问题的有限元法

第八章几何非线性问题的有限元法8.1 引言前面各章所讨论的问题都是在小变形假设的前提下进行的，即假定物体所发生的位移远小于物体自身的几何尺寸，应变远小于1。

在此前提下，建立物体或微元体的平衡条件时可以不考虑物体的位置和形状（简称位形）的变化，因此在分析中不必区别变形前后位形的差别，且应变可用一阶无穷小的线性应变表达。

实际上，上述假设有时是不成立的。

即使实际应变可能是小的，且不超过材料的弹性极限，但如果需要精确地确定位移，就必须考虑几何非线性，即平衡方程应该相对于变形后的位置得出，而几何关系应该计及二次项。

例如平板大挠度理论中，由于考虑了中面内的薄膜应力，求得的挠度比小挠度理论的结果有显著的减低。

再如在结构稳定性问题中，当载荷达到一定数值后，挠度比线性解答予示的结果更剧烈地增加，并且确实存在承载能力随继续变形而减低的现象。

在冷却塔、薄壁结构及其它比较细长的结构中，几何非线性分析都显得十分重要。

几何非线性问题可以分为以下几种类型：（1）大位移小应变问题。

一般工程结构所遇到的几何非线性问题大多属于这一类。

例如高层建筑或高耸构筑物以及大跨度网壳等结构的分析常需要考虑到结构大位移的影响。

（2）大位移大应变问题，如金属压力加工中所遇到的问题就属于这一类型。

（3）结构的变形引起外载荷大小、方向或边界支承条件的变化等。

结构的平衡实际上是在结构发生变形之后达到的，对于几何非线性问题来说，平衡方程必须建立在结构变形之后的状态上。

为了描述结构的变形需要设置一定的参考系统。

一种做法是让单元的局部坐标系始终固定在结构发生变形之前的位置，以结构变形前的原始位形作为基本的参考位形，这种分析方法称作总体的拉格朗日（Ｌagrange ）列式法；另一种做法是让单元的局部坐标系跟随结构一起发生变位，分析过程中参考位形是不断被更新的，这种分析方法称作更新的拉格朗日列式法。

本章首先对几何非线性问题作一般性讨论，从中导出经典的线性屈曲问题的公式；然后建立平板大挠度问题和壳体的大位移（及大转动）分析的有限方法公式；接着还给出了大应变及大位移的一般公式，最后还详细讨论了杆系结构几何非线性问题的有关公式。

有限元法发展综述及其特点

数值分析结课论文有限元的发展历程及其特点论文题目：有限元的发展历程及其特点学院:专业：学号：姓名：有限元法发展综述及其特点摘要：1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。

有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。

关键词：有限元，积分法，加权余值法，边值，伽辽金(Galerkin)法。

引言有限元法是一种高效能、常用的计算方法．有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。

自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系．有限元法的孕育过程及诞生和发展大约在300年前，牛顿和莱布尼茨发明了积分法，证明了该运算具有整体对局部的可加性。

虽然，积分运算与有限元技术对定义域的划分是不同的，前者进行无限划分而后者进行有限划分，但积分运算为实现有限元技术准备好了一个理论基础。

在牛顿之后约一百年，著名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。

这两项成果的前者被用来将微分方程改写为积分表达式，后者被用来求解有限元法所得出的代数方程组。

在18世纪，另一位数学家拉格郎日提出泛函分析。

泛函分析是将偏微分方程改写为积分表达式的另一途经。

在19世纪末及20世纪初，数学家瑞雷和里兹首先提出可对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。

1915年，数学家伽辽金提出了选择展开函数中形函数的伽辽金法，该方法被广泛地用于有限元。

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有限元非线性计算特点
文章通过几个典型的工程计算模型，分析比较有限元线性与非线性计算结果，阐释了有限元非线性计算的特点及优点。

标签：工程计算；线性；非线性
1 引言
有限元单元法已成为强有力的数值解法来解决工程中遇到的大量问题，其应用范围从固体到流体，从静力到动力，从力学问题到非力学问题，有限元的线性分析已被广泛采用。

但对于许多航空工程中遇到的问题，如进气道等，仅仅采用线性求解是不真实的，而采用非线性计算将更符号实际情况。

本文借助MSC/NASTRAN有限元分析程序，对于典型的工程计算模型分析比较线性与非线性计算结果，从而给出非线性计算相对于线性计算的优点及特点。

2 有限元非线性计算的特点及优点
为了明确有限元非线性计算结果与线性计算结果的差异，更好的展现有限元非线性计算的特点，本节将借助于有限元分析软件MSC/NASTRAN，对一受外载的矩形薄板根据不同的边界条件，进行非线性及线性静力分析，通过分析比较计算结果，说明有限元非线性静力计算中的一些特点。

2.1 非线性与线性计算结果随载荷的变化
首先，给出薄板尺寸、载荷。

模型尺寸：薄板尺寸为500×500×1.5mm。

载荷：受法向气动压力（pressure），气动压力由小到大变化依次为0.01MPa、0.02MPa、0.04MPa、0.08MPa、0.16MPa。

取薄板中央节点位移、应力及薄板边缘中部节点位移，比较线性计算结果和非线性计算结果。

在分别进行有限元线性及非线性分析后，给出位移、应力及支反力结果随载荷的变化曲线。

图1、图3、图5分别为采用限元线性计算得到的参考点的位移、应力及支反力变化曲线；图2、图4、图6分别为采用有限元非线性计算得到的参考点的位移、应力及支反力变化曲线。

由圖1、3、5可见，采用线性静力分析后，参考点位移、应力、支反力均随载荷增加而线性增大，位移、应力、支反力与载荷呈明显的线性关系，这是线性静力分析的特点。

对于本例，可以预言，在其它条件不变的情况下，计算出一套载荷下的结果，就可以按照线性关系求出压力载荷下的位移、应力及支反力结果。

图2、4、6表明，采用非线性分析后，参考点位移、应力、支反力也随载荷增加，但与载荷呈非线性关系，这是有限元非线性计算与线性计算明显差别的地方。

2.2 约束对非线性与线性计算结果的影响
模型尺寸：薄板尺寸为500×500×1.5mm。

载荷：受法向气动压力（pressure），气动压力0.02MPa。

图7、图8给出了三种工况采用线性分析得到的应力分布图，由上至下三图依次对应工况1、2、3应力分布。

图7表明，采用线性分析，三种工况下，应力分布完全一样，说明约束对应力分布没有影响。

实际上三种工况对应的位移分布及支反力也完全相同，只是寓于篇幅，此处未给出分布图而已；由图8可见，采用非线性分析，三种工况对应的应力分布相差很大，表明约束对应力分布影响较大。

可见，对于此处算例，改变X、Y方向约束，对于线性计算结果无影响，对非线性计算结果影响明显。

原因主要如下：
（1）对应此处算例，在线性计算中，只提供Z向平动约束，理论上足以平衡外界载荷，但是，至少须给一个点提供X、Y方向约束，才能限制平板刚体平动，否则由于约束不够，不能形成结构。

也就是说，施加X、Y方向的约束是为了防止方板刚体平动，不参与提供支反力，也不参与计算应力、位移等。

（2）非线性计算中，X、Y方向约束不仅要限制刚体平动，还要参与计算支反力、应力及位移等。

由以上分析可见，线性计算中，对于纯粹限制刚体平动的约束，增加后不会影响有限元分析结果；非线性计算中，有限元分析结果对约束变化较为敏感。

为此，在有限元非线性分析中，对约束模拟的真实性要求更高。

3 结束语
本文首先比较了有限元线性与非线性求解方法的一些特点，随后通过比较典型工程有限元模型线性与非线性、几何非线性与材料非线性计算结果，阐明了几何非线性的特点，表明在很多静强度计算中采用非线性求解较线性求解更真实。

参考文献
[1]吕和祥，蒋和洋.非线性有限元[M].北京，化学工业出版社，1992.
[2]梁军.非线性有限元法及实例分析[J].水利科技与经济.2007，13（4）.
[3]MSC/NASTRAN用户手册：上，下册[M].
[4]中国航空材料手册：第三册[M].中国标准出版社.
作者简介：梅李霞（1979，6-），现为中航工业洪都650所强度设计研究部工程师。