对有限元的认识

我对有限元方法的认识

1有限元法概念

有限元方法（The Finite Element Method, FEM）是计算机问世以后迅速发展起来的一种分析方法。每一种自然现象的背后都有相应的物理规律，对物理规律的描述可以借助相关的定理或定律表现为各种形式的方程（代数、微分、或积分）。这些方程通常称为控制方程（Governing equation）。

针对实际的工程问题推导这些方程并不十分困难，然而，要获得问题的解析的数学解却很困难。人们多采用数值方法给出近似的满足工程精度要求的解答。

有限元方法就是一种应用十分广泛的数值分析方法。

有限元方法是处理连续介质问题的一种普遍方法，离散化是有限元方法的基础。

这种思想自古有之：古代人们在计算圆的周长或面积时就采用了离散化的逼近方法：即采用内接多边形和外切多边形从两个不同的方向近似描述圆的周长或面积，当多边形的边数逐步增加时近似值将从这两个方向逼近真解。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。

国际上早在 60 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序。“有限单元”是由Clough

R W于1960年首次提出的。但真正的有限元分析软件是诞生于 70 年代初期，随着计算机运算速度的提高，内、外存容量的扩大和图形设备的发展，以及软件技术的进步，发展成为有限元分析与设计软件，但初期其前后处理的能力还是比较弱的，特别是后处理能力更弱。 到 70 年代中期有限元界的先导就在有限元软件中引入了图形技术及交互式操作方式，使有限元的前后处理进入一个崭新的历史阶段。此时，用户就可以从繁琐的数据中解放出来。

有限元法原理

将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

运用步骤

步骤1：剖分:

将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合．元素（单元）的形状原则上是任意的．二维问题一般采用三角形单元或矩形单元，三维空间可采用四面体或多面体等．每个单元的顶点称为节点（或结点）．

步骤2：单元分析:

进行分片插值，即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网格点上的函数值展开，即建立一个线性插值函数

步骤3：求解近似变分方程

用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状（如三角形、四边形、六面体等）的单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法已被用于求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，已有许多大型或专用程序系统供工程设计使用。结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。

有限差分法the Finite Difference Method

微分方程和积分微分方程数值解的方法。基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替， 这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似， 积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组 ， 解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。

MATLAB报告

Matlab程序求解简要过程如下：

（1）求取单元节点位移提取矩阵T

单元节点位移提取矩阵T本质上是置换矩阵群中的一个，结果可将任意杂乱的节点顺序置换成统一的顺序。另一方面其作用是对单元刚度矩阵进行“升维操作”，将单元刚度矩阵统筹到整体刚度矩阵上来，便于对总体节点位移矩阵和支座反力进行求取。

本程序分析过程中对单元1的节点提取是按顺序编号1-2-3，对单元2的节点提取是按顺序编号2-3-4。单元1的节点位移提取矩阵如下： 单元2的节点位移提取矩阵如下：

（2）求取单元几何矩阵B

单元1的节点按编号顺序1-2-3分别进行对几何函数矩阵或算子矩阵的bi逆时针操作，对ci顺时针操作；单元2的节点按编号顺序2-3-4分别进行对几何函数矩阵的bi顺时针操作，对ci逆时针操作.在MATLAB程序中通过mod()取模函数来达到对节点的顺时针或逆时针循环操作。

单元1的几何矩阵如下：

单元2的几何矩阵如下：

（3）求取应力矩阵S

单元应力矩阵满足S=D*B,其中D为弹性矩阵，B为单元几何矩阵 各单元的弹性矩阵如下：

单元1的应力矩阵如下：

单元2的应力矩阵如下：

（4）求取单元刚度矩阵K

单元刚度矩阵K满足公式K=B’*D*B*t*A,其中t为平面板的厚度，A为单元面积，且单元刚度矩阵为对称矩阵。

单元1的刚度矩阵如下：

单元2的刚度矩阵如下：

（5）求取总体刚度矩阵sumKK

由上述步骤求得的单元刚度矩阵K利用单元虚功原理和刚度方程可导出K’*δ=f，其中δ为单元节点位移列阵，f为单元等效节点载荷列阵，为了能将各个单元刚度方程统一到一个整体，便需要步骤（1）的单元节点提取矩阵对单元刚度方程进行变换，将两个变换结果联立便得到总体刚度方程，其中也可得到总体刚度矩阵sumKK，且总体刚度矩阵可由sumKK=Σ T’*K*T求得。

总体刚度矩阵如下：

（6）求取总体节点位移矩阵和支座反力

利用上述步骤提到的总体刚度方程sumKK*delta=F，其中delta为总体节点位移矩阵，F为总体等效节点载荷列阵。利用总体边界条件可将总体刚度方程分成两部分，一部分先求取总体节点位移矩阵delta，最后代入总体刚度方程求取总体等效节点载荷列阵F，由此便得到支座反力。

有限元综述

蔡璟、吕丹丹、李川

摘要：有限元法（Finite Element Method）是一种高效能、常用的数值计算方法。1965年“有限元”这个名词第一次出现，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。如今，有限元在工程上得到广泛应用。本文首先介绍了有限元的研究背景和意义，其次从它的诞生、主要特点以及解题步骤三方面阐述相关概念，再讨论传统有限元算法及优化算法、有限元与其他算法结合得到的混合算法两个方面来分类阐述各自的研究现状与特点，最后总结有限元算法的应用以及发展趋势。

关键词：有限元法，FEM，经典算法，优化算法，网格优化，Herrmann算法，时域有限元，混合算法，矩量法，时域有限差分，应用研究，边界元法，光滑粒子法，发展趋势

前言

有限元法（Finite Element Method）是一种高效能、常用的数值计算方法，其基本思想是由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。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，解决了物理场应用中的限制。经历几十年的发展，有限元法已经被广泛用于各个领域。

1.研究背景和意义

有限元法的思想首先由 R. Courant 在 1943 年提出，十九世纪六十年代数值分析科学家认识了有限元基本思想，建立了有限元方法的数学基础。其中，我国数学家冯康独立地提出了有限元方法，将其命名为“基于变分原理的差分格式”，对有限元方法的创始及奠基工作做出了重要贡献。

以变分原理为基础建立起来的有限元法,因其理论依据的普遍性,不仅广泛地被应用于各种结构工程,而且作为一种声誉很高的数值分析方法已被普遍推广并成功地用来解决其他工程领域中的问题,例如热传导!渗流!流体力学、空气动力学、土壤力学、机械零件强度分析、电磁场工程问题等等。