有限元分析及应用

有限元分析方法及应用 机电学院本科课程内部讲义北京理工大学2014目 录第一章 有限元概述 (3)1.1 有限元历史 (3)1.2 有限元的定义及基本原理 (4)1.3 有限元分析的一般流程 (6)1.4 有限元的应用范围 (7)第二章 基础知识篇 (8)2.1 外力、应力、应变和位移 (8)2.2 两类平面问题 (10)2.3 平衡微分方程 (11)2.4 几何方程 (12)2.5 物理方程 (14)2.6 边界条件 (17)2.7 弹性力学的解题方法（解析法） (18)2.8 虚功方程 (27)第三章 应用CAE篇 (31)3.1 几何清理及网格划分 (32)3.2 材料模型及单元类型 (55)3.3 边界与载荷 (56)3.4 后处理 (60)第四章 线性分析及应用篇 (62)4.1 线性静力分析基础 (62)4.2静力分析简介及步骤 (64)4.3模态分析 (71)第五章 非线性 (75)5.1 几何非线性问题的有限元法 (76)5.2 材料非线性问题的有限元法 (83)第一章有限元概述1.1 有限元历史20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算，在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵分析法。

结构分析的有限元方法在二十世纪五十年代到六十年代创立的。

1956年，波音公司的Turner, Clough, Martin, Topp在纽约举行的航空学会年会上介绍了将矩阵位移法推广到求解平面应力问题的方法，即把结构划分成一个个三角形和矩形“单元”，在单元内采用近似位移插值函数，建立了单元节点力和节点位移关系的单元刚度矩阵，并得到了正确的解答。

1960年，Clough在他的名为“The finite element in plane stress analysis”的论文中首次提出了有限元（Finite Element）这一术语。

有限元法的工程领域应用
有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是一种工程领域常用的数值计算方法，广泛应用于结构力学、固体力学、流体力学等领域。

以下是一些有限元法在工程领域常见的应用：
1. 结构分析：有限元法可用于分析各种结构的受力性能，如建筑物、桥梁、飞机、汽车等。

通过将结构离散成有限数量的单元，可以计算出每个单元的应力、应变以及整个结构的位移、变形等信息。

2. 热传导分析：有限元法可用于模拟材料或结构的热传导过程。

通过对材料的热传导系数、边界条件等进行建模，可以预测温度分布、热流量等相关参数。

3. 流体力学分析：有限元法在流体力学领域的应用非常广泛，例如空气动力学、水动力学等。

通过建立流体的速度场、压力场等参数的数学模型，可以分析流体在不同条件下的运动特性。

4. 电磁场分析：有限元法可以应用于计算电磁场的分布和特性，如电磁感应、电磁波传播等。

通过建立电磁场的数学模型，可以预测电场、磁场强度以及电磁力等。

5. 振动分析：有限元法可用于模拟结构的振动特性，如自由振动、强迫振动等。

通过建立结构的质量、刚度和阻尼等参数的数学模型，可以计算出结构在不同频率下的振动响应。

6. 优化设计：有限元法可以与优化算法结合，应用于工程设计中的结构优化。

通过对结构的材料、几何形状等进行参数化建模，并设置目标函数和约束条件，可以通过有限元分析来寻找最佳设计方案。

以上只是有限元法在工程领域的一些应用，实际上有限元法在各个领域都有广泛的应用，为工程师提供了一种精确、高效的数值计算方法，用于解决各种实际工程问题。

有限元法及其应用 pdf标题：有限元法及其应用引言概述：有限元法是一种数值分析方法，广泛应用于工程领域。

本文将介绍有限元法的基本原理和应用领域，并详细阐述其在结构分析、流体力学、热传导、电磁场和生物力学等方面的具体应用。

正文内容：1. 结构分析1.1 结构力学基础1.1.1 杆件和梁的有限元分析1.1.2 平面和空间框架的有限元分析1.1.3 壳体和板的有限元分析1.2 结构动力学分析1.2.1 振动问题的有限元分析1.2.2 地震响应分析1.2.3 结构非线性分析2. 流体力学2.1 流体流动的有限元分析2.1.1 稳态流动问题的有限元分析2.1.2 非稳态流动问题的有限元分析2.1.3 多相流动问题的有限元分析2.2 流体结构耦合分析2.2.1 气动力和结构响应的有限元分析2.2.2 液固耦合问题的有限元分析2.2.3 流体流动与热传导的有限元分析3. 热传导3.1 热传导方程的有限元分析3.1.1 稳态热传导问题的有限元分析3.1.2 非稳态热传导问题的有限元分析3.1.3 辐射传热问题的有限元分析3.2 热结构耦合分析3.2.1 热应力分析3.2.2 热变形分析3.2.3 热疲劳分析4. 电磁场4.1 静电场和静磁场的有限元分析4.1.1 静电场的有限元分析4.1.2 静磁场的有限元分析4.2 电磁场的有限元分析4.2.1 电磁场的有限元分析方法4.2.2 电磁场与结构的耦合分析4.2.3 电磁场与流体的耦合分析5. 生物力学5.1 生物组织的有限元分析5.1.1 骨骼系统的有限元分析5.1.2 软组织的有限元分析5.1.3 生物材料的有限元分析5.2 生物力学仿真5.2.1 运动学分析5.2.2 力学分析5.2.3 生物仿真与设计总结：有限元法是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法。

本文从结构分析、流体力学、热传导、电磁场和生物力学五个大点详细阐述了有限元法的应用。

通过对各个领域的具体应用介绍，我们可以看到有限元法在工程领域中的重要性和广泛性。

引子：有限元方法是求解各类复杂问题的工具；广泛用于机械、桥梁、建筑、航空航天等领域；本课程主要内容：1.数学力学原理；2.力学建模；3.专题实践。

1 引论知识点1.1 力学的分类：质点、刚体、变形体的力学主要内容：力学分类；变形力学的的要点；微分方程求解方法；关于函数逼近的方式；针对复杂几何域的函数表征及逼近；有限元的核心；有限元发展的历史与分析软件。

质点、刚体、变形体之间的关系以卫星绕地球旋转为例：变形体：简单形状；复杂形状。

知识点1.2 变形体力学的要点：涉及三个方面：力的平衡、变形状态、材料行为；引入三大变量，三大方程应力：应变：弹性模量：定义力学变量：知识点1.3 微分方程求解的方法 实例：左端固定的1D 拉杆问题建立方程:022=⋅+E A pdx u d 为基本力学变量)(x u左端固定右端为自由AF =σLμε=εσ=E ⎪⎩⎪⎨⎧====0|0|0L x x dxdu u求解该方程的方法： (1) 解析方法：得到的结果：Lx AEpx AE p x u +-=221)((2) 近似方法（差分） 把研究对象分成若干段差分格式：222112dxud l u u u i i i =∆+-+-⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⋅++-=⋅++-=⋅++-=⋅++-4051230512205121051222543224322232122210节点节点节点节点AE PL u u u AE PL u u u AE PL u u u AE PL u u u ⎩⎨⎧==5400u u u 代入边界条件代入后得到01111511-10012-10012-10012-224321=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛AE PL u u u u 解得()()TTAEPL u u u u 625.05625.04375.025.024321⋅=研究对象分成n 段：⎩⎨⎧==-100n n u u u 代入边界条件 011111111000012-10000000002-1000012-1000012-2212321=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅+⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-- AE PL n u u u u u n n 分段数 L/5 2L/5 3L/5 4L/5 L 5 0.250 0.438 0.563 0.625 0.626 20 0.185 0.329 0.431 0.491 0.510 100 0.183 0.324 0.425 0.486 0.505 500 0.180 0.321 0.421 0.481 0.501 解析解 0.1800.3200.4200.4800.500趋近于解析解(3) 近似方法（试函数）几种求解方法的对比：1 精度2 特点知识点1.4 关于函数逼近的方式以一个一维函数[]L x x x x f ,),(0∈为例，分析它的展开与逼近形式 展开方式之一：基于全域的展开形式如果采用傅里叶展开，则有：[]⎪⎭⎫ ⎝⎛∈=++≈∑=L ni ii x x x c c c x f ,)(001100ϕϕϕ 其中[]()L i x x x ,0∈ϕ为所采用的基底函数，它定义在全域[]L x x ,0上， ,,10c c 为展开的系数。

有限元法的发展现状及应用1. 引言有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于工程领域中的结构力学、流体力学、热传导等问题的求解。

它通过将复杂的连续介质问题离散化为有限个简单的子域，然后利用数值方法求解这些子域上的方程，最终得到整个问题的近似解。

自从有限元法在20世纪60年代初被提出以来，它得到了迅猛发展，并在各个领域中得到了广泛应用。

2. 有限元法的发展历程2.1 早期发展有限元法最早是由Courant于1943年提出，并在20世纪50年代由Turner等人进一步发展。

最初，有限元法主要应用于结构力学领域中简单结构的分析计算。

2.2 理论基础完善20世纪60年代以后，随着计算机技术和数值方法理论的进步，有限元法得到了进一步发展。

Galerkin方法、变分原理和能量原理等理论基础被广泛应用于有限元法中，为其提供了坚实的理论基础。

2.3 算法改进和扩展在20世纪70年代和80年代，有限元法的算法得到了进一步改进和扩展。

有限元法的自适应网格技术和自适应加密技术的引入，使得有限元法能够更加高效地处理复杂问题。

同时，有限元法也逐渐扩展到了流体力学、热传导、电磁场等领域。

3. 有限元法在结构力学中的应用3.1 静力分析有限元法在结构力学中最常见的应用是进行静力分析。

通过将结构离散化为有限个单元，然后利用数值方法求解每个单元上的平衡方程，最终得到整个结构的受力情况。

3.2 动力分析除了静力分析外，有限元法还可以进行动态分析。

通过求解结构振动问题，可以得到结构在外部激励下的响应情况。

这对于地震工程、机械振动等领域非常重要。

3.3 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是工程中一个重要问题。

通过将材料疲劳损伤模型与有限元方法相结合，可以对材料在复杂载荷下的疲劳寿命进行预测，从而指导工程设计和使用。

4. 有限元法在流体力学中的应用4.1 流体流动分析有限元法在流体力学中的应用主要集中在流体流动分析。

通过将连续介质分割为有限个单元，然后求解每个单元上的Navier-Stokes方程，可以得到整个流场的解。