下载文档原格式
有限元二阶单元-概述说明以及解释1.引言1.1 概述有限元方法是一种数值计算方法，用于求解微分方程的近似解。
在实际工程应用中，通常需要通过数值模拟来分析结构的力学行为，了解结构在不同条件下的响应情况。
有限元方法通过将结构离散为有限个小单元，再在每个小单元上建立适当的数学模型，最终将整个结构的力学行为近似为每个小单元的力学行为，从而得到结构整体的响应。
本文将重点介绍有限元二阶单元，即在有限元计算中常用的一种单元类型。
通过对二阶单元的概念、优势以及应用前景的讨论，旨在帮助读者更深入地了解该方法在工程领域的应用和意义。
1.2 文章结构本文共分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分中，将对有限元方法和二阶单元进行简要介绍，并明确文章的目的。
在正文部分中，将详细讨论有限元方法的基本概念，介绍二阶单元的概念及其优势。
最后，在结论部分中对全文进行总结，并展望二阶单元在未来的应用前景。
整个文章结构清晰，条理分明，旨在全面展示有限元二阶单元的重要性和价值。
1.3 目的本文旨在探讨有限元二阶单元的特点和优势，对于有限元方法的进一步理解与应用具有重要意义。
通过深入研究二阶单元的概念和特性，可以更好地应用于实际工程问题的求解中，提高计算效率和精度。
同时，借助二阶单元的优势，可以更好地模拟复杂结构的力学行为，为工程设计和分析提供更加准确和可靠的结果。
因此，本文旨在帮助读者深入了解有限元二阶单元，为其在工程领域的应用奠定基础。
2.正文2.1 有限元方法简介有限元方法是一种数值分析技术，用于在给定几何和物理条件下解决工程和科学领域的复杂问题。
它可以将连续的实体分解为有限数量的子域，每个子域称为有限元，然后通过对有限元进行数学建模和计算，得到整个实体的近似解。
有限元方法可以应用于结构力学、热传导、流体力学等不同领域的问题求解。
有限元方法的基本思想是将连续的问题转化为离散的线性代数方程组，通过求解这些方程组得到问题的近似解。
这种离散化的处理可以有效地简化问题的复杂性，同时可以方便地应用计算机进行求解。
通俗地说，有限元法就是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。
这项技术带来的好处就是，在图纸设计阶段就能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现什么问题，不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题，可以有效降低产品开发的成本，缩短产品设计的周期。
有限元法也叫有限单元法（finite element m ethod, FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。
五十年代初，它首先应用于连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。
由于这种方法的有效性，有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非连续体。
有限元法最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。
事实上，当划分的区域足够小，每个区域内的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。
理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但是计算量相应增大。
为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个平衡点。
有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来，可以用一个简单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力，求解过程只需要计算出结点处的应力或者变形，非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的，换句话说，有限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。
大多数有限元程序都是以结点位移作为基本变量，求出结点位移后再计算单元内的应力，这种方法称为位移法。
有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法，认识到这一点以后，从70年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。
有限元阻尼单元-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在概述部分，需要对有限元阻尼单元的主要内容进行简要说明。
可以参考以下内容：有限元方法是一种常用的工程分析方法，广泛应用于结构力学、固体力学、流体力学等领域。
它通过将复杂的结构体系离散成有限数量的元素，并建立相应的数学模型，来解决实际工程中的力学问题。
然而，在实际工程中，材料的阻尼作用常常被忽略或未能准确地建模。
而阻尼是指结构在动态响应过程中由于介质的能量耗散而导致的振幅衰减现象。
因此，为了准确预测结构的动态响应和耐久性能，必须考虑阻尼的影响。
有限元阻尼单元就是为了解决这一问题而引入的。
它是在传统有限元方法的基础上，通过在结构模型中引入阻尼元素，来模拟结构的阻尼特性。
这样可以更加准确地预测结构的动态响应，提高工程的振动控制效果和耐久性能。
在本文中，我们将首先介绍有限元方法的基本原理和应用领域，然后重点讨论阻尼单元的概念和作用。
通过对阻尼单元的分析和应用，我们可以更好地理解和掌握有限元分析中阻尼的建模方法，为实际工程问题的分析和解决提供有力的支持。
通过本文的研究和总结，我们可以得出结论：有限元阻尼单元在工程实践中具有重要的应用价值，可以有效提高结构的动态性能和耐久性能。
同时，我们也对未来的研究方向进行了展望，希望能够进一步提高阻尼单元的建模精度和分析效率，为工程实践提供更可靠的技术支持。
1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
下面对每个部分的内容进行详细介绍。
引言部分主要包括概述、文章结构和目的三个方面。
在概述中，将介绍有限元阻尼单元的背景和应用领域。
文章结构部分则是对整篇文章的章节组织进行概述，帮助读者了解文章的整体框架。
最后，目的部分明确说明了本文的研究目标和意义，以便读者了解本文的研究动机和目的。
接下来的正文部分将分为两个主要章节。
首先，将简要介绍有限元方法的基本原理和基本步骤，包括有限元离散化、构建刚度矩阵和质量矩阵等。
然后，将重点讨论阻尼单元的概念和作用。
有限元等参数单元有限元分析是一种工程数值分析方法，广泛用于结构力学、固体力学等领域。
在有限元分析中，将结构或物体离散为许多小单元，每个小单元称为参数单元。
本文将介绍有限元等参数单元的概念和应用。
在有限元分析中，参数单元是对结构或物体进行离散化的基本单元。
它是通过数学建模技术将连续域问题转化为离散模型的重要工具。
参数单元可以是一维、二维或三维的。
在一维情况下，常见的参数单元有杆单元和梁单元等。
在二维情况下，常见的参数单元有三角形单元和四边形单元等。
在三维情况下，常见的参数单元有四面体单元和六面体单元等。
在有限元分析中，参数单元的选择要根据具体问题的性质来确定。
一般来说，参数单元的几何形状应能较好地适应结构或物体的形状。
对于复杂结构或物体，可以使用不同形状的参数单元进行组合，以更好地描述结构的几何特征。
在参数单元中，需要定义材料性质、几何性质和加载条件等参数。
材料性质包括弹性模量、泊松比、密度等。
几何性质包括长度、面积、体积等。
加载条件包括外力、边界条件等。
这些参数可以通过实验测量或根据经验来确定。
在有限元分析中，参数单元的刚度、质量和荷载等可以通过这些参数来计算。
有限元分析的基本思想是，将结构或物体分解为多个参数单元，并将其转化为一个或多个代数方程组。
通过求解这个方程组，可以得到结构或物体的应力、应变、位移等信息。
有限元方法可以有效地分析复杂结构的性能和行为，并为工程设计和优化提供依据。
总之，有限元等参数单元是在有限元分析中对结构或物体进行离散化的基本单元。
它是将连续域问题转化为离散模型的重要工具。
参数单元的选择要根据具体问题的性质来确定，并通过定义材料性质、几何性质和加载条件等参数来描述结构的特征。
有限元分析是一种用于求解结构或物体应力、应变、位移等信息的数值分析方法，可以为工程设计和优化提供依据。
第二章单元在显式动态分析中可以使用下列单元：·LINK160杆·BEAM161梁·PLANE162平面·SHELL163壳·SOLID164实体·COMBI165弹簧阻尼·MASS166质量·LINK167仅拉伸杆本章将概括介绍各种单元特性,并列出各种单元能够使用的材料类型。
除了PLANE162之外,以上讲述的显式动态单元都是三维的,缺省时为缩减积分(注意：对于质量单元或杆单元缩减积分不是缺省值)缩减积分意味着单元计算过程中积分点数比精确积分所要求的积分点数少。
因此,实体单元和壳体单元的缺省算法采用单点积分。
当然,这两种单元也可以采用全积分算法。
详细信息参见第九章沙漏,也可参见《LS-DYNA Theoretical Manual》。
这些单元采用线性位移函数；不能使用二次位移函数的高阶单元。
因此，显式动态单元中不能使用附加形状函数，中节点或P-单元。
线位移函数和单积分点的显式动态单元能很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。
值得注意的是，显单元不直接和材料性能相联系。
例如，SOLID164单元可支持20多种材料模型，其中包括弹性，塑性，橡胶，泡沫模型等。
如果没有特别指出的话（参见第六章，接触表面），所有单元所需的最少材料参数为密度，泊松比，弹性模量。
参看第七章材料模型，可以得到显式动态分析中所用材料特性的详细资料。
也可参看《ANSYS Element Reference》,它对每种单元作了详细的描述，包括单元的输入输出特性。
2.1实体单元和壳单元2.1.1 SOLID164SOLID164单元是一种8节点实体单元。
缺省时，它应用缩减（单点）积分和粘性沙漏控制以得到较快的单元算法。
单点积分的优点是省时，并且适用于大变形的情况下。
当然，也可以用多点积分实体单元算法（KEYOPT（1）=2）；关于SOLID164的详细描述，请参见《ANSYS Element Reference》和《LS-DYNA Theoretical Manual》中的§3.3节。
有限元三角形单元
有限元三角形单元是有限元分析中常用的基本构件，用于建立复杂结构的数学模型，以进行工程分析。
这些三角形单元是用来离散化连续问题的，将其转换为有限元模型，以便计算机可以进行数值求解。
在有限元分析中，三角形单元有不同类型，其中常见的包括：
1. 线性三角形单元：
- 由三个节点组成的简单三角形单元。
- 三角形的三条边都是直线。
- 这种单元的形状函数是线性的，适用于简单的结构和问题。
2. 二阶和高阶三角形单元：
- 包括更多节点以提高精度的三角形单元。
- 二阶三角形单元具有额外的中间节点，使得形状函数更复杂，从而提高了精度。
- 高阶三角形单元同样通过增加节点来提高精度，但也增加了计算复杂度。
这些三角形单元被用于建立有限元模型，将结构或物体分割成小的几何形状，每个形状都有对应的节点和单元连接关系。
通过这些节点之间的位移和边界条件来建立结构的数学模型，从而进行力学、热力学等各种工程分析。
选择适当类型和精度的三角形单元对于准确地模拟实际问题非常重要，因为它们直接影响到模型的计算精度和效率。
有限元单元类型
有限元软件中常见的单元类型有五种：力学单元，温度场单元，电场单元，磁场单元，以及多场耦合单元等。
力学单元自由度一般都是应力场相关的物理量，例如位移，应变，应力等。
温度场单元自由度自然是温度，电场自由度是电势，磁场就是棱边的磁矢势，或者节点上的标量势。
耦合单元自然是拥有多重自由度的单元。
总得来讲，固体力学单元可以按照自由度的物理场的不同区分为：连续介质单元和结构单元两类，连续介质单元一般就是只含有平动自由度的实体单元，结构单元则是含有转动自由度的梁、板、壳单元。
另外杆和膜单元虽然不含转动自由度，但也归类到结构单元中。
或者可以说，连续介质单元就是对空间尺度没有简化的单元，而结构单元就是在一个或两个空间坐标上进行了简化的单元。
二维的连续介质单元不算简化了空间尺度，因为空间本来就是二维。
扩展资料
有限元软件形成单元的算法有很多，最基本的是插值方式，比如常用的拉格朗日单元，hermite单元，serendipity单元等，这是按插值方法分。
按插值形函数的最高次数分，自然就有一阶，二阶，三阶单元了。
按照单元所采用的非线性格式分，又有TL单元，UL格式单元，CR格式单元（指corotation算法）。
还有一些更加具体的单元算法，包括但不限于，协调元和非协调元，应力杂交元，缩减积分单元，选择缩减积分单元等等等。
所以，完整的描述清楚一个单元，可能得说：一个基于UL格式的三维六面体一阶协调缩减积分沙漏控制拉格朗日形连续介质单元。
此外，还有一些特殊用途的单元，例如惯性点单元，连接单元（用来处理运动耦合等连接关系），接触单元，表面热单元（用来处理表面辐射和表面对流）等等等。
第二章单元在显式动态分析中可以使用下列单元：·LINK160杆·BEAM161梁·PLANE162平面·SHELL163壳·SOLID164实体·COMBI165弹簧阻尼·MASS166质量·LINK167仅拉伸杆本章将概括介绍各种单元特性,并列出各种单元能够使用的材料类型。
除了PLANE162之外,以上讲述的显式动态单元都是三维的,缺省时为缩减积分(注意：对于质量单元或杆单元缩减积分不是缺省值)缩减积分意味着单元计算过程中积分点数比精确积分所要求的积分点数少。
因此,实体单元和壳体单元的缺省算法采用单点积分。
当然,这两种单元也可以采用全积分算法。
详细信息参见第九章沙漏,也可参见《LS-DYNA Theoretical Manual》。
这些单元采用线性位移函数；不能使用二次位移函数的高阶单元。
因此，显式动态单元中不能使用附加形状函数，中节点或P-单元。
线位移函数和单积分点的显式动态单元能很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。
值得注意的是，显单元不直接和材料性能相联系。
例如，SOLID164单元可支持20多种材料模型，其中包括弹性，塑性，橡胶，泡沫模型等。
如果没有特别指出的话（参见第六章，接触表面），所有单元所需的最少材料参数为密度，泊松比，弹性模量。
参看第七章材料模型，可以得到显式动态分析中所用材料特性的详细资料。
也可参看《ANSYS Element Reference》,它对每种单元作了详细的描述，包括单元的输入输出特性。
2.1实体单元和壳单元2.1.1 SOLID164SOLID164单元是一种8节点实体单元。
缺省时，它应用缩减（单点）积分和粘性沙漏控制以得到较快的单元算法。
单点积分的优点是省时，并且适用于大变形的情况下。
当然，也可以用多点积分实体单元算法（KEYOPT（1）=2）；关于SOLID164的详细描述，请参见《ANSYS Element Reference》和《LS-DYNA Theoretical Manual》中的§3.3节。
如果担心沙漏现象，比如泡沫材料，可采用多点积分算法，因为它无需沙漏控制；计算结果要好一些。
但要多花大约4倍的CPU时间。
楔形、锥型和四面体单元是六面体单元的退化产物（例如，一些节点是重复的）。
这些形状在弯曲时经常很僵硬，有些情况下还有可能产生问题。
因此，应尽量避免使用这些退化形状的单元。
对于实体单元可采用下列材料模型：·各向同性弹性·正交各向异性弹性·各向异性弹性·双线性随动强化·塑性随动强化·粘弹性·Blatz-ko橡胶·双线性各向同性·幂律塑性·应变率相关塑性·复合材料破坏·混凝土破坏·地表材料·分段线性塑性·Honeycomb蜂窝材料·Mooney-Rivlin橡胶·Barlat各向异性塑性·弹塑性流体动力·闭合多孔泡沫·低密度泡沫·粘性泡沫·可压缩泡沫·应变率相关幂律塑性·Johnson-Cook塑性·空材料·Zerilli-Armstrong·Bamman·Ste inberg·弹性流体2.1.2 SHELL163SHELL163单元有12中不同的算法。
用KEYOPT（1）来定义所选的算法。
和实体单元一样，积分点的个数直接影响着CPU时间。
因此，对于一般的分析而言，建议使用缺省积分点个数。
以下将概述SHELL163单元的不同算法：2.1.3通用壳单元算法·Belytschko-Tsay(KEYOPT(1)=0或2)—缺省—速度快，建议在多数分析中使用—使用单点积分—单元过度翘曲时不要使用·Belytschko-Wong-Chiang(KEYOPT(1)=10)—比Belytschko-Tsay慢25%—使用单点积分—对翘曲情况一把可得到正确结果·Belytschko-Leviathan(KEYOPT(1)=8)—比Belytschko-Tsay慢40%—使用单点积分—自动含有物理上的沙漏控制·Hughes-Liu(KEYOPT(1)=1,6,7,11)有4种不同的算法，它可以将节点偏离单元的中面。
KEYOPT(1)=1一般型Hughes-Liu，使用单点积分，比Belytschko-Tsay慢250%。
KEYOPT(1)=11快速Hughes-Liu，使用单点积分，比Belytschko-Tsay慢150%。
KEYOPT(1)=6S/R Hughes-Liu，有4个积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay慢20倍。
KEYOPT(1)=7 S/R快速Hughes-Liu，有4个积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay慢8.8倍。
如果分析中沙漏带来麻烦的话，建议使用此算法。
KEYOPT(1)=12全积分Belytschko-Tsay壳。
在平面内有四个积分点，无需沙漏控制。
通过假设的横向剪切应变可以矫正剪切锁定。
但是它比单点Belytschko-Tsay慢2.5倍，如果分析中担心沙漏的话，建议使用此方法。
2.1.4薄膜单元算法·Belytschko-Tsay薄膜（KEYOPT(1)=5）—速度快，建议在大多数薄膜分析中使用—缩减（单点）积分—很好地用于关心起皱的纺织品（例如，大的平面压缩应力破坏较薄的纤维单元）·全积分Belytschko-Tsay薄膜（KEYOPT(1)=9）—明显的比通用薄膜单元慢（KEYOPT(1)=5）—面内有四个积分点—无沙漏2.1.5三角型薄壳单元算法·C 0三角型薄壳（KEYOPT(1)=4）单元—基于Mindlin-Reissner平板理论—该构型相当僵硬，因此不建议用它来整体划分网格—使用单点积分·BCIZ三角型薄壳（KEYOPT(1)=3）单元—基于Kirchhoff平板理论—比C 0三角型薄壳单元慢—使用单点积分ANSYS/LS-DYNA用户手册中有关SHELL163的描述对可用的壳单元算法作了完整的介绍。
退化的四边形单元在横向剪切时易发生锁死。
因此，应使用C 0三角型薄壳单元（基于Belytschko和其合作者的工作），如果在同一种材料中把单元分类标记（ EDSHELL命令的ITRST域）设置为1（缺省值），就可混合使用四边形和三角形单元。
对于壳单元可使用以下材料模型：·各向异性弹性·正交各向异性弹性·双线性随动强化·塑性随动强化·Blatz-Ko橡胶·双线性各向同性·幂律塑性·应变率相关塑性·复合材料破坏·分段线性塑性·Mooney-Rivlin橡胶·Barlat各向异性塑性·3参数Barlat塑性·横向各向异性弹塑性·应变率相关幂律塑性·横向各向异性FLD·Johnson-Cook塑性·Bamman注意 --当SHELL163单元使用Mooney-Rivlin橡胶材料模型时，LS-DYNA编码将自动使用Belytschko-Tsay算法的完全拉格朗日修正法来代替KEYOPT（1）指定的算法。
程序选择的算法要求满足超弹材料的特殊需要。
图2-1积分点所有的壳单元算法沿厚度方向都可以有任意多个积分点。
典型地，对于弹性材料沿厚度方向需要2个积分点，而对于塑性材料则需要3个或更多的积分点。
沿厚度方向的积分点个数由第二实常数来控制：R ,NEST,,R2,这里R2为积分点的个数（NIP）。
壳单元使用三维平面应力本构子程序修正应力张量，使垂直于壳单元中面的正应力分量为零。
积分点位于壳单元的质心垂线上，见图2-1。
开始时每个节点的厚度方向与单元表面都是正交的但它们随节点旋转。
计算弯矩和平面力需要厚度方向的积分点。
其应变呈线性分布，而应力分布要复杂得多，它和材料性质有关。
对于线弹性材料两个积分点就足够了，而非线性材料则需要更多的积分点，输出的应力属于最外层的积分点，而不是表面上的（尽管后处理的术语是指顶面和底面），因此在分析结果时需要注意，对于弹性材料，应力可以外推到表面上。
对于非线性材料来说，通常是选择沿厚度方向的四五个节点而忽略其不精确性（例如，忽略表面和外部积分点之间的应力差）。
高斯积分法最外层积分点的位置由下表给出：注意 --在使用线弹性材料时，能够预先准确定义这些积分准则，但是通常在ANSYA/LS-DYNA中无法做到，由于模拟大多涉及非线性行为。
另外，对于全积分单元来说，其输出应力是同一层内2×2积分点的应力平均值。
2.1.6 PLANE162PLANE162单元是一个二维，4节点的实体单元,它既可以用作平面（X-Y平面）单元，也可以用作轴对称单元（Y轴对称）。
KEYOPT（3）用来指定单元的平面应力、轴对称和平面应变选项。
对于轴对称单元可以利用KEYOPT（2）指定面积或体积加权选项。
PLANE162典型情况下为四节点单元。
当然也可以用三节点三角形选项，但是由于它太僵硬，所以不推荐使用它。
这个单元没有实常数。
重要的是要注意到含有PLANE162单元的模型必须仅包含这种单元。
ANSYS/LS-DYNA 中不允许有二维和三维单元混合使用的有限元模型。
这种单元可用的材料模型与KEYOPT（3）的设置有关。
对KEYOPT（3）=0，1，2（平面应力、平面应变或轴对称），用户可以选择下列材料模型：·各向同性弹性·正交各向异性弹性·Blatz-ko橡胶·Mooney-Rivlin橡胶·粘弹性·双线性各向同性·双线性随动强化·塑性随动强化·幂率塑性·应变率相关幂率塑性·应变率相关塑性·分段线性塑性·复合材料破坏·Johnson-Cook塑性·Bamman对平面应力选项（KEYOPT（3）=0），可以选择下列材料：·3参数Barlat塑性·Barlat各向异性塑性·横向正交各向异性弹塑性·横向正交异性FLD对轴对称和平面应变选项（KEYOPT（3）=1或2），可以选用下列材料：·正交各向异性弹性·弹塑性流体动力·闭合多孔泡沫·低密度泡沫·可压缩泡沫·Honeycomb蜂窝材料·空材料·Zerilli-Armstrong·Steinberg·弹性流体2.2梁单元和杆单元2.2.1 BEAM161BEAM161有两种基本算法：Hughes-Liu和Belytschko-Schwer。
