有限元考试试题
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有限单元法考试题及答案一、单项选择题(每题2分,共10分)1. 有限元法中,单元刚度矩阵的计算是基于()。
A. 位移法B. 势能原理C. 能量守恒定律D. 牛顿第二定律答案:B2. 在有限元分析中,以下哪项不是网格划分时需要考虑的因素?()A. 网格数量B. 网格形状C. 材料属性D. 边界条件答案:C3. 有限元分析中,以下哪项不是结构分析的基本步骤?()A. 离散化B. 求解C. 后处理D. 优化设计答案:D4. 在有限元分析中,以下哪种类型的单元不适用于平面应力问题?()A. 三角形单元B. 四边形单元C. 六面体单元D. 楔形单元答案:C5. 有限元分析中,以下哪种边界条件不属于几何边界条件?()A. 固定支座B. 压力C. 温度D. 位移答案:C二、多项选择题(每题3分,共15分)6. 有限元法中,以下哪些因素会影响单元的精度?()A. 单元形状B. 单元数量C. 材料属性D. 网格划分答案:ABD7. 在有限元分析中,以下哪些是常见的数值积分方法?()A. 一阶积分B. 二阶积分C. 高斯积分D. 牛顿-莱布尼茨积分答案:ABC8. 有限元分析中,以下哪些是常见的单元类型?()A. 线性单元B. 二次单元C. 三次单元D. 非线性单元答案:ABCD9. 在有限元分析中,以下哪些是常见的后处理技术?()A. 应力云图B. 位移云图C. 模态分析D. 热分析答案:ABC10. 有限元分析中,以下哪些是常见的非线性问题?()A. 几何非线性B. 材料非线性C. 接触非线性D. 热应力问题答案:ABCD三、填空题(每题2分,共20分)11. 有限元法中,单元刚度矩阵的计算通常基于___________原理。
答案:势能12. 在有限元分析中,网格划分的目的是将连续的___________离散化为有限数量的单元。
答案:域13. 有限元分析中,___________是将实际问题转化为数学问题的关键步骤。
有限元考试题1、名词解释:剪应⼒互等定律:作⽤在两个互相垂直的⾯上并且垂直于该两⾯交线的剪应⼒是互等的。
(⼤⼩相等,正负号也相同)。
位移法:位移法是解决超静定结构最基本的计算⽅法。
虚功原理:弹性⼒学中的虚功原理可表达为:在外⼒作⽤下处于平衡状态的弹性体,如果发⽣了虚位移,那么所有的外⼒在虚位移上的虚功(外⼒功)等于整个弹性体内应⼒在虚应变上的虚功(内⼒功)圣维南原理:对于作⽤于物体局部边界上的⾯⼒⽤另⼀组与之静⼒等效(主⽮和主矩相等)并且作⽤于同⼀⼩块表⾯上的⼒系来代替,则在⼒系作⽤区域的附近,应⼒分布将有显著的改变,但在远处所受的影响可不计。
最⼩势能原理:在满⾜位移边界条件的所有可能位移中,实际发⽣的位移使弹性体的势能最⼩。
即对于稳定平衡状态,实际发⽣的位移使弹性体总势能取极⼩值。
显然,最⼩势能原理与虚功原理完全等价叠加原理:在线弹性(物理线性)和⼩变形(⼏何线性)情况下,作⽤于物体上⼏组荷载产⽣的应⼒和变形的总效应,等于每组荷载单独作⽤效应的总和。
位移模式: 按弹性⼒学位移法求近似解的思路,位移作为基本未知量时,需要对单元上位移的分布作出假设,即构造含待定参量的简单位移函数——位移模式。
形函数:等参元: 等参数单元(简称等参元)就是对单元⼏何形状和单元内的参变量函数采⽤相同数⽬的节点参数和相同的形函数进⾏变换⽽设计出的⼀种新型单元。
节点的⾃由度:节点所具有的位移分量的数⽬。
单元⾃由度: ⼀个单元所有节点的⾃由度总和称为单元⾃由度。
刚度集成法结构中的结点⼒是相关单元结点⼒的叠加,整体刚度矩阵的系数是相关单元的单元刚度矩阵系数的集成。
虚功等效:原单元载荷与等效节点载荷在单元任意虚位移上的虚功相等。
2、填空题1.有限元法的实质:将复杂的连续体划分为有限个简单的单元体,化⽆限⾃由度问题为有限⾃由度问题。
将连续场函数的(偏)微分⽅程的求解问题转化为有限个参数的代数⽅程组的求解问题。
2.弹性⼒学的基本假设:(1)(连续性)(2)均匀性(3)(各向同性)(4)完全弹性符合(1)-(4)假定的称为(理想弹性体)。
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。
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,同时体力也平行于横截面并且不沿长度变化。
有限元试题及答案一判断题(20分)(X) 1.节点的位置依赖于形态,而并不依赖于载荷的位置(V) 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(X) 3.不能把梁单元、壳单元和实体单元混合在一起作成模型(V) 4.四边形的平面单元尽可能作成接近正方形形状的单元(X) 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(X) 6.用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析(V) 7. 一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好(X) 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(V) 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(V) 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:(X,oy,T(y,三个独立的应变分量:& x,cy,Y<y,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.—个空间块体单元的节点有3个节点位移:u,v,w9.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(14分)1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。
有限元试题及答案一、选择题1.有限元分析是一种利用计算机数值方法进行结构分析的方法,下面哪个说法是正确的?A. 有限元分析对结构的约束条件没有要求B. 有限元分析只适用于静力分析C. 有限元分析可以用来研究结构的动力响应D. 有限元分析的计算结果一定是精确的答案:C2.有限元法的基本步骤包括以下几个环节:I. 离散化II. 单元划分III. 节点连接IV. 计算材料性质V. 施加边界条件VI. 构建刚度矩阵和载荷向量VII. 求解节点位移和应力VIII. 后处理与结果分析请问选择项中正确的顺序是:A. IV – I – II – III – V – VI – VII – VIIIB. I – II – III – IV – V – VI – VII – VIIIC. II – III – V – IV – VI – I – VII – VIIID. I – III – II – IV – V – VI – VII – VIII答案:B3.在有限元分析中,单元是指将结构划分为有限个小单元来近似表示结构的方法。
下面哪个选项给出了常用的结构单元类型?A. 三角形单元,四面体单元,六面体单元B. 矩形单元,六面体单元,圆形单元C. 圆形单元,矩形单元,六面体单元D. 四面体单元,矩形单元,三角形单元答案:D二、填空题1.有限元分析中,刚度矩阵的计算需要根据单元的_________和材料的_________计算得到。
答案:几何形状,物理性质2.有限元法最常用的数学插值函数是_________函数。
答案:形函数3.在有限元分析中,自由度是指结构中的每个_________未知量。
答案:位移三、计算题1.给定如图所示的二维结构,使用有限元法进行分析。
假设结构材料为线性弹性材料,其杨氏模量为200 GPa,泊松比为0.3。
结构整体尺寸为5m x 3m,单元尺寸为1m x 1m。
分析载荷为2000 N,施加在结构的中心节点上。
e an dAl l t h i ng si nt he i rb ei n ga re go o2. 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)图23. 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图1一、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nl⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.0025.025.011212---==E k k ⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.0025.0011313-==E k k ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.125.025.05.125.0005.05.00025.075.025.025.075.032222212222E E E E k k k k +=++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+⎥⎦⎤⎢⎣⎡---5.025.025.0125.025.005.025.0025.05.032312323E E E k k k =+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---5.0025.025.022424E k k ==⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡025.025.00025.0000025.0032522525E E E k k k =+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.125.025.05.15.00025.075.025.025.075.025.0005.043333313333E E E E k k k k =++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+⎥⎦⎤⎢⎣⎡---125.025.05.05.0025.025.05.025.0025.043533535E E E k k k =+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡0025.0043636E k k ==⎥⎦⎤⎢⎣⎡75.025.025.075.024444E k k ==⎥⎦⎤⎢⎣⎡---25.0025.05.024545E k k == ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.125.025.05.175.025.025.075.05.00025.025.0005.045535525555E E E E k k k k =++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---25.0025.05.045656E k k ==⎥⎦⎤⎢⎣⎡25.0005.046666E k k ==把上面计算出的,…,对号入座放到总刚矩阵中去,于是得到11k 66k []K的具体表达式。
有限元期末考试题及答案一、选择题1. 有限元方法是一种数值分析方法,主要用于求解什么类型的数学问题?A. 线性代数方程B. 微分方程C. 积分方程D. 代数方程答案:B2. 在有限元分析中,单元的划分是基于什么原则?A. 单元数量B. 单元形状C. 问题域的几何特性D. 计算资源答案:C3. 下列哪项不是有限元分析中常用的单元类型?A. 三角形单元B. 四边形单元C. 六面体单元D. 圆形单元答案:D二、填空题4. 有限元方法中,______是指将连续的物理域离散成有限数量的小区域,这些小区域称为单元。
答案:离散化5. 在进行有限元分析时,通常需要定义材料属性,包括______、密度和弹性模量等。
答案:泊松比三、简答题6. 简述有限元方法的基本步骤。
答案:有限元方法的基本步骤包括:定义问题域、离散化问题域、选择单元类型、定义材料属性、构建全局刚度矩阵、施加边界条件、求解线性代数方程、提取结果。
7. 解释什么是有限元分析中的收敛性,并说明影响收敛性的因素。
答案:收敛性是指随着单元数量的增加,有限元分析结果逐渐接近真实解的性质。
影响收敛性的因素包括单元的类型、形状、大小以及网格的布局等。
四、计算题8. 假设有一个长度为2米的杆,两端固定,中间施加了一个向下的力F=1000N。
如果杆的材料是钢,其弹性模量E=210 GPa,泊松比ν=0.3,请计算杆的弯曲位移。
答案:首先,根据Euler-Bernoulli梁理论,可以写出弯曲位移的方程为:\[ w(x) = \frac{F}{384EI} L^3 \]其中,\( w(x) \) 是位移,\( F \) 是施加的力,\( L \) 是杆的长度,\( E \) 是弹性模量,\( I \) 是截面惯性矩。
对于一个矩形截面,\( I \) 可以表示为:\[ I = \frac{bh^3}{12} \]假设杆的截面宽度为b,高度为h,代入上述公式,可以计算出位移。
有限元试题及答案一、选择题1. 有限元法是一种数值方法,主要用于求解什么类型的数学问题?A. 线性代数方程B. 微分方程C. 积分方程D. 偏微分方程答案:D2. 在有限元分析中,以下哪项不是网格划分的基本原则?A. 网格应尽量均匀B. 网格应避免交叉C. 网格应尽量小D. 网格应适应几何形状答案:C3. 有限元方法中,单元的局部刚度矩阵可以通过以下哪种方式获得?A. 直接积分B. 矩阵乘法C. 线性插值D. 经验公式答案:A二、填空题1. 有限元方法中,______ 是指将连续的域离散化成有限数量的小单元。
答案:离散化2. 在进行有限元分析时,______ 是指在单元内部使用插值函数来近似求解场变量。
答案:近似3. 有限元法中,______ 是指在单元边界上满足的连续性条件。
答案:边界条件三、简答题1. 简述有限元法的基本步骤。
答案:有限元法的基本步骤包括:(1)定义问题域;(2)离散化问题域,生成网格;(3)为每个单元定义局部坐标系和形状函数;(4)组装全局刚度矩阵和载荷向量;(5)施加边界条件;(6)求解线性代数方程;(7)提取结果并进行后处理。
2. 描述有限元分析中的单元类型有哪些,并简述每种单元的特点。
答案:常见的单元类型包括:(1)一维单元,如杆单元和梁单元,特点是沿一个方向传递力;(2)二维单元,如三角形和四边形单元,特点是在平面内传递力;(3)三维单元,如四面体和六面体单元,特点是在空间内传递力。
每种单元都有其特定的形状函数和刚度矩阵。
四、计算题1. 给定一个简单的一维弹性杆问题,其长度为L,两端固定,中间施加集中力P。
使用有限元法求解该杆的位移和应力分布。
答案:首先,将杆离散化为一个单元。
使用一维杆单元的局部刚度矩阵和形状函数,可以推导出全局刚度矩阵。
然后,施加边界条件,即杆的两端位移为零。
最后,将集中力P转换为等效节点载荷,求解线性代数方程,得到节点位移。
应力可以通过位移和杆的截面特性计算得出。
1.有限元法是近似求解(连续)场问题的数值方法。
2.有限元法将连续的求解域(离散化),得到有限个单元,单元和单元之间用(节点)相连。
3.从选择未知量的角度来看,有限可分为三类(位移法)(力法)(混合法)。
4.以(节点位移)为基本未知量的求解方法称为位移法。
5.以(节点力)为基本未知量求解方法为力法。
6.一部分以(节点位移),另一部分以(节点力)为基本未知量的求解方法为综合法。
7.直梁在外力作用下,横截面上的内力有(剪力Q)和(弯矩M)两个。
8.平面钢架结构在外力作用下,横截面上内力有(轴力T)(剪力Q)(弯矩M)。
9.进行质量的有限元分析,梁单位上每个节点的节点位移为(挠度)和(转角)10.进行平面钢架结构的有限元分析。
平面钢架单元上每个节点的节点位移为(轴向位移)(横向桡度)和(截面转角)10.平面钢架结构中,已知单元e的坐标变换矩阵[Te]及局部坐标系x’O’y’下的单元刚度矩阵【k’】e,则单元在整体坐标系xOy下的单元刚度矩阵为(【K】e=【T e】【K’】e【T e】)11.平面钢架结构中,已知单元e的坐标变换矩阵【Te】及整体坐标系xOy下的单元??12.在弹性范围和小变形的前提下,节点力和节点位移之间是(线性)关系13.弹性力学问题的方程个数有(15)个,未知量个数有(15)个14.弹性力学平面问题的方程个数有(8)个,未知量个数有(8)个15.几何方程是研究(正应变)和(位移)之间关系的方程16.物理方程是描述(应力)和(应变)关系的方向17.平衡方程反应了(应力)和(体力)之间关系的18.把经过物体内任意一点各个(截面)上的应力状况叫做(一点)的应力状态19.形函数在单元节点上的值,具有本点为(一),它点为零的性质,并且在三角形单元的任一节点上,三个形函数之和为(一)20.形函数是(三角形)单元内部坐标的(线性位移)函数,它反应了单元的(位移)状态21.位移模式已知时,形函数由(面积)确定22.在进行节点编号时,要尽量使用同一单元的相邻节点的(狭长的带状)尽可能小,以便最大限度的缩小刚度矩阵带宽,节省存储,提高计算效率23.三角形单元的位移模式为(线性位移模式)24.矩形单元的位移模式为(双线性位移模式)25.在选择多项式位移模式的阶次时,要求(所选的位移模式)与局部坐标系的方位无关的性质成为(几何)各向同性26.单元刚度矩阵描述了(节点力)和(节点位移)之间的关系27.整体刚度矩阵描述了(节点载荷)和(节点位移)之间的关系28.在选择多项式作为单元的位移模式时,多项式阶次的确定,要考虑解答收敛性,即要满足单元的(完备性)和(协调性)要求29.三节点三角形单元内的应力和应变是(常数),四节点矩阵单元内的应力和应变是(线性)变化的30.在矩形单元的边界上,位移是(线性)变化的31.整体刚度矩阵是一个呈(狭长的带状)分布的稀疏矩阵32.整体刚度矩阵[k]是一个奇异阵,在排除(刚体位移)后,它是正义阵。
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)
1、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。
3、简述有限单元法的收敛性准则。
4、考虑下列三种改善应力结果的方法(1)总体应力磨平、(2)单元应力磨平和(3)分片应力磨平,请分别将它们按计算精度(高>低)和计算速度(快>慢)进行排序。
四.计算题(共40分,每题20分)
ν=;单元的边1、如图1所示等腰直角三角形单元,其厚度为t,弹性模量为E,泊松比0
长及结点编号见图中所示。
求
(1)形函数矩阵N
(2)应变矩阵B和应力矩阵S
(3)单元刚度矩阵e K
图1
2、图2(a)所示为正方形薄板,其板厚度为t,四边受到均匀荷载的作用,荷载集度为2
N m,
1/同时在y方向相应的两顶点处分别承受大小为2/N m且沿板厚度方向均匀分布的荷载
ν=。
试求
作用。
设薄板材料的弹性模量为E,泊松比0
(1)利用对称性,取图(b)所示1/4结构作为研究对象,并将其划分为4个面积大小
相等、形状相同的直角三角形单元。
给出可供有限元分析的计算模型(即根据对
称性条件,在图(b)中添加适当的约束和荷载,并进行单元编号和结点编号)。
(2)设单元结点的局部编号分别为i、j、m,为使每个单元刚度矩阵e K相同,试在
图(b)中正确标出每个单元的合理局部编号;并求单元刚度矩阵e K。
(3)计算等效结点荷载。
(4)应用适当的位移约束之后,给出可供求解的整体平衡方程(不需要求解)。
图2
同济大学本科课程期终考试统一命题纸A卷标准答案
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) ×√√××√××√√
二.单项选择题(共20分,每小题2分)
C B B C B C
D C C C
三.简答题(共20分,每小题5分)
1、答:(答对前3个给4分)
(1)对称性;(2)奇异性;(3)主对角元恒正;(4)稀疏性;(5)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;
(2)选取多项式时,常数项和坐标的一次项必须完备;
(3)多项式的选取应由低阶到高阶;
(4)尽量选取完全多项式以提高单元的精度。
3、答:
完备性要求,协调性要求(2分)
具体阐述内容(3分)
4、答:
计算精度(1)>(3)>(2)
计算速度(2)>(3)>(1)
四.计算题
1、解:
设图1所示的各点坐标为
点1(a ,0),点2(a ,a ),点3(0,0)
于是,可得单元的面积为 12
A =2
a ,及 (1) 形函数矩阵N 为
(7分)
12122121
(0a a )a
1
(00a )a 1
(a a 0)
a
N x y N x y N x y =
+-=++=-+g g ;
[][]
12312
3 N N N ==N I I I N N N
(2) 应变矩阵B 和应力矩阵S 分别为
(7分)
12a 010-a a -a a ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦B ,220010a a a 0⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦B ,32-a 0100a 0
-a ⎡⎤
⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
B ; []12
3=B B B B
12a 00-a a 11-a a 2
2E ⎡
⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦S ,22000a a 1a 02E ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦S ,32-a 000a 10-a 2E ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥
⎣⎦
S ;
[]
[]
123123 ==S D B B B S S S
(3) 单元刚度矩阵e K
(6分)
11
12
13T 21
22233132
333110211312011110014020200200020111001e Et tA ---⎡⎤⎢⎥---⎢⎥⎡⎤
--⎢⎥
⎢⎥===⎢
⎥
⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥-⎢⎥--⎣⎦
K K K K B DB K K K K K K 2、解:
(1) 对称性及计算模型正确 (5分)
(2) 正确标出每个单元的合理局部编号 (3分)
(3) 求单元刚度矩阵e K (4分)
(4) 计算等效结点荷载
(3分)
(5) 应用适当的位移约束之后,给出可供求解的整体平衡方程(不需要求解)。
(5分)
对 称 1011012020031214301201e Et --⎡⎤
⎢⎥-⎢⎥
--⎢
⎥=⎢⎥-⎢⎥
⎢⎥⎢⎥
⎣⎦
K 对 称 123356322000026121006120146101620212v v u Et t v u u ⎡⎤
--⎡⎤⎡⎤⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎢⎥
--⎢⎥⎢
⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎣⎦⎣⎦-⎢⎥
⎣⎦
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