有限元法边界条件的处理

X 边界条件和载荷本章部分内容来自《Practical Finite Element Analysis》。

Matthias Goelke检查并添加了部分内容。

10.1边界条件施加的力和/或者约束叫做边界条件。

在HyperMesh中，边界条件存放在叫做load collectors的载荷集中。

Load collectors可以通过在模型浏览器中点击右键来创建(Create > Load Collector)。

经常（尤其是刚开始）需要一个load collector来存放约束（也叫做spc-单点约束），另外一个用来存放力或者压力。

记住，你可以把任何约束（比如节点约束自由度1和自由度123）放在一个load collector中。

这个规则同样适用于力和压力，它们可以放在同一个load collector中而不管方向和大小。

下面是将力施加到结构的一些基本规则。

1.集中载荷（作用在一个点或节点上）将力施加到单个节点上往往会出现不如人意的结果，特别是在查看此区域的应力时。

通常集中载荷（比如施加到节点的点力）容易产生高的应力梯度。

即使高应力是正确的（比如力施加在无限小的区域），你应该检查下这种载荷是不是合乎常理？换句话说，模型中的载荷代表了哪种真实加载的情形？因此，力常常使用分布载荷施加，也就是说线载荷，面载荷更贴近于真实情况。

2.在线或边上的力上图中，平板受到10N的力。

力被平均分配到边的11个节点上。

注意角上的力只作用在半个单元的边上。

上图是位移的云图。

注意位于板的角上的红色“热点”。

局部最大位移是由边界效应引起的（例如角上的力只作用在半个单元的边上），我们应该在板的边线上添加均匀载荷。

上述例子中，平板依然承受10N的力。

但这次角上节点的受力减少为其他节点受力的一半大小。

上图显示了由plate_distributed.hm文件计算得到的平板位移的云图分布。

位移分布更加均匀。

3.牵引力（或斜压力）牵引力是作用在一块区域上任意方向而不仅仅是垂直于此区域的力。

有限元法的分析过程有限元法是一种数值分析方法，用于求解实际问题的物理场或结构的数学模型。

它将连续的实体分割成离散的小单元，通过建立节点和单元之间的关系，对物理问题进行逼近和求解。

以下是一般的有限元法分析过程。

1.问题建模和离散化在有限元分析中，首先需要对实际问题进行建模，确定物理场或结构的几何形状和边界条件。

然后，将几何形状分割成一系列小单元，例如三角形、四边形或四面体等。

2.网格生成根据问题的几何形状和离散化方式，生成网格。

网格是由一系列节点和单元组成的结构，节点用于描述问题的几何形状，单元用于划分问题域。

通常，节点和单元的位置和数量会直接影响有限元法的精度和计算效率。

3.插值函数和基函数的选择有限元法中的节点通常表示问题域中的几何点，而节点之间的关系由插值函数或基函数来描述。

插值函数用于建立节点和单元之间的关系，基函数用于对物理场进行逼近。

选择适当的插值函数和基函数是有限元法分析的关键。

4.定义系统参数和边界条件确定相关物理参数和材料性质，并将其转化为数值形式。

在有限元分析中，还需要定义边界条件，包括约束条件和加载条件。

5.定义数学模型和方程根据问题的物理场或结构和所选择的基函数，建立数学模型和方程。

有限元方法可以用来建立线性方程、非线性方程、静态问题、动态问题等。

具体建立数学模型和方程的过程需要根据问题的特点进行。

6.组装刚度矩阵和力载荷向量根据离散化的节点和单元，组装刚度矩阵和力载荷向量。

刚度矩阵描述节点之间的刚度关系，力载荷向量描述外部加载的作用力。

7.求解代数方程通过求解代数方程，确定节点的位移或物理场的数值解。

通常，使用迭代方法或直接求解线性方程组的方法来求解。

8.后处理和分析得到数值解后，可以进行后处理和分析。

包括计算节点和单元的应变、应力等物理量，进行矫正和验证计算结果的正确性。

还可以通过有限元法的网格适应性来优化问题的计算效率和精度。

以上是一般的有限元法分析过程，具体的步骤和方法可能会因不同的问题而有所不同。

Internal Combustion Engine &Parts0引言随着科学技术的发展，人们在机械设计中不断地应用更加精密的设备，在设计的过程中，就需要相关的设计人员能够预测出产品的性能、强度、寿命等，并且正确引入相关技术参数来进行精确的计算。

近些年来，随着我国计算机技术的发展以及数据分析相关技术的发展，为相关的计算提供了有效的方法与手段。

将有限元应用力分析应用到机械体结构上，能够充分计算外部的荷载量，以及所引发的应力应变、强度、耐久度的分析，从而能够有效地提高零件的质量，减少零件材料的成本。

有限元分析的结果与软件、建模等有关，在分析过程中，处理方式不当可能造成结果的差异，所以不能过度迷信有限元软件的结果，需要根据具体的情况具体分析。

1有限元分析的概述有限元分析方法作为一种数据处理分析的方法，是近些年来新引进入我国的一种数据分析的方式，其英文名字为FEM 。

它主要是运用数学的计算方法，模拟出物体真实的几何形状，以及负荷量状况，能够将无限的未知量展示出来，这种复杂的计算方法能比其他的代数方法更加准确[1]。

有限元方法是在计算机技术和数值分析方法的基础上发展起来的。

作为一种有效的手段，有限元分析应用在应力分析等领域中，对于机体机构上的外部荷载引起的应力应变以及耐久性、损伤容限、强度等均可以采用试验的方式进行。

有限元分析的过程会发生结果的差异，这与使用的软件和建模过程有关系，在设计中对于软件结果不能迷信，而是要谨慎对待处理方式不通带来的结果差异。

对于具体问题应根据模型试验验证判断结果而来，方能确定有限元结果正确性。

2有限元分析的注意事项工程人员对于有限元分析的精确度和正确性较为关注。

这是因为有限元结果的正确性关系到工程实际的运行。

凭借问题处理经验和有限元理论分析结果，对于有限元分析的注意问题可以归纳如下：①对于有限元分析方法的运用，注意有限元分析方法的流程，加强对有限元结果的认识。

离散网络密度、形函数构造、单元类型、边界条件处理都会产生对结果的影响。

有限差分法和有限元法
有限差分法（Finite Difference Method）和有限元法（Finite Element Method）是两种常用的数值计算方法，用于求解偏微分方程的数值解。

有限差分法是通过将求解区域离散化为网格，然后在各个网格节点处用差分逼近偏微分方程中的导数项，将偏微分方程转化为代数方程组。

通过求解这个方程组，可以得到离散节点上的数值解。

有限差分法适用于一维、二维或三维的问题，可用来处理线性或非线性、稳定或非稳定的偏微分方程。

有限差分法的优点是简单易实现，容易理解和计算，但是对于复杂的几何形状和边界条件，离散网格的选择可能会对精度和计算结果产生较大的影响。

有限元法则是通过将求解区域划分为互不重叠的有限元，每个有限元内部采用局部函数近似原方程，然后将所有有限元的近似解拼接在一起，形成整个求解区域上的近似解。

有限元法通常在每个有限元上构造基函数，通过求解代数方程组确定基函数的系数，从而得到整个求解区域上的数值解。

有限元法适用于一维、二维或三维的问题，能够处理各种几何形状和边界条件，适用范围更广。

有限元法的优点是对复杂几何形状的适应性好，精度高，但是相对于有限差分法而言，复杂度较高，需要更多的计算量和计算时间。

总体来说，有限差分法更适用于简单的几何形状和边界条件，而有限元法更适用于复杂的几何形状和边界条件。

两种方法在
实际的工程和科学计算中都有广泛的应用，选择哪种方法取决于具体问题的性质和求解的要求。

首先，从五个方面进行有限元和无网格方法比较，分别是网格划分、形函数的产生、边界条件、系统离散方案、系统方程的求解：1、网格划分有限元方法：连续体被划分成由有限个称作单元的小网格组合而成的离散结构。

单元划分是前处理过程中非常重要的部分, 通常占整个分析过程中大部分时间。

由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。

无网格方法：问题域由一系列任意分布的节点来代替, 不需要用单元或网格来进行场变量插值, 也无须描述节点之间的关系。

节点的生成可完全由计算机自动完成, 这大大节省了分析人员的时间, 也相对较容易在分析过程中对节点进行重新划分。

几何体边界是由节点替代(而非离散) , 如图1所示，两个节点之间的任意一点可由近似函数插值。

(a)有限元法中光滑曲线边界由三角形直线边代替(b)无网格法中光滑边界由节点替代图1 网格-节点示意图2、形函数的产生：有限元法和无网格法都可从哈密尔顿原理推出, 它们之间最关键的区别是形函数的构造。

有限元法：形函数是定义于单元的局部近似函数，因此函数的连续性、光滑性在网格的分界处必然受到限制，计算后还需要进一步的后处理。

形函数可以直接插值得到，故相对较容易构造且相同类型的单元具有相同的形函数。

无网格方法：形函数是围绕每一个节点建立插值函数构成的，不同的点具有不同的形函数，形函数定义于全域，具有较好的连续性和光滑性，不需要后处理过程。

3、边界条件有限元法：施加边界条件并不很困难, 通常在网格划分时使网格形式满足边界条件特点, 本质边界条件可直接加在节点上。

无网格方法：本质边界条件不仅依赖边界点，而且也与内部点有关，无网格法不能直接施加本质边界条件都是用离散的点来代替连续的边界值，这样会给本质边界条件的精确实现造成困难。

，拉格朗日乘子法和罚函数法是两种基本的方法。

4、系统离散方案有限元法是建立在虚功原理上的。

若给出控制微分方程，对于固体结构或流体, 都可以从加权残值法推出更普遍意义上的有限元公式，其可以得到一个对称的刚度矩阵。

有限元分析与应用_第7讲有限元方法的一般步骤有限元方法（Finite Element Method，简称FEM）是一种将连续体力学问题转化为有限个离散子域的数学方法。

下面是有限元方法一般步骤的详细介绍。

第一步是建立数学模型。

根据实际问题的特点和要求，选择合适的数学模型。

通常需要确定几何模型（包括尺寸和形状）、物理模型（包括材料特性和边界条件）和数学模型（通常为偏微分方程组）。

同时，也要将实际问题抽象为离散子域。

第二步是离散化。

将实际问题转化为有限个子域，将连续的问题离散为离散节点和单元的问题。

通常包括选择节点和单元的类型、确定网格尺寸和单元形状以及建立局部坐标。

第三步是建立有限元方程。

根据离散化的结果，利用变分原理或其他数学方法，建立离散节点上的有限元方程。

通常需要建立刚度矩阵和载荷矢量。

刚度矩阵的计算包括积分和局部坐标转换等。

第四步是引入边界条件。

根据实际问题的特点，确定边界条件，包括固支约束、力和热边界条件等。

将边界条件应用到有限元方程中，得到最终的离散方程。

第五步是求解离散方程。

利用数值计算方法，求解离散方程组，得到节点上的未知位移、温度或其他待求解变量。

求解过程一般涉及线性方程组的求解方法，如直接法（高斯消元法）和迭代法（雅可比法、SOR法等）。

第六步是后处理。

根据求解结果，进行数据分析和可视化，得到问题的解释和评估。

后处理结果可以包括位移、应力、温度等各种物理量的分布图、曲线图和表格。

同时，也可以对模型进行验证和优化。

总的来说，有限元方法的一般步骤包括建立数学模型、离散化、建立有限元方程、引入边界条件、求解离散方程和后处理。

每个步骤都需要综合考虑问题特点、数学方法和计算机实现的要求。

在实际应用中，可以根据具体情况和经验进行适当的调整和改进，以得到更准确和高效的结果。

第十一章 有限元分析方法概述1、基本概念有限元分析方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代没计计算方法。

它是20世纪50年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。

在工程分析和科学研究中，常常会遇到大量的由常微分方程、偏微分方程及相应的边界条件描述的场问题，如位移场、应力场和温度场等问题。

求解这类场问题的方法主要有两种：用解析法求得精确解；用数值解法求其近似解。

应该指出，能用解析法求出精确解的只是方程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题。

而对于绝大多数问题，则很少能得出解析解。

这就需要研究它的数值解法，以求出近似解。

目前工程中实用的数值解法主要有三种：有限差分法、有限元法和边界元法。

其中，以有限元法通用性最好，解题效率高，目前在工程中的应用最为广泛。

下面通过一个具体例子，分别采用解析法和数值解法进行求解，从而体会一下有限元分析方法的含义及其相关的一些基本概念。

如下图所示为一变横截面杆，杆的一端固定，另一端承受负荷P ，试求杆沿长度方向任一截面的变形大小。

其中，杆的上边宽度为1w ，下边宽度为2w ，厚度为t ，长度为L ，杆的材料弹性模量为E 。

已知P ＝4450N ，1w ＝50mm ，2w =25mm ，t =3mm ，L =250mm ，E =72GPa 。

① 采用解析法精确求解假设杆任一横截面面积为)(y A ，其上平均应力为σ，应变为ε。

根据静力平衡条件有：0)(=-y A P σ根据虎克定律有：εσE =而任一横截面面积为：t y L w w w y A )()(121-+= 任一横截面产生的应变为：dydu=ε将上述方程代入静力平衡条件，进行变换后有：dy y EA Pdu )(=沿杆的长度方向对上式两边进行积分，可得：⎰⎰⎰-+==y yudy y Lw w w Et P dy y EA P du 01210)()(将)(y A 表达式代入上式，并对两边进行积分，得杆沿长度方向任一横截面的变形量：]ln )[ln()()(112112w y Lw w w w w Et PL y u --+-=当y 分别取0、62.5、125、187.5、250值时，变截面杆相应横截面处的沿杆长方向的变形量分别为：m u m u m u m u m u 6564636211080.142 ;1083.96 ;1027.59 ;1051.27 ;0----⨯=⨯=⨯=⨯==② 采用数值解法近似求解将变横截面杆沿长度方向分成独立的4小段，每一小段采用等截面直杆近似，等截面直杆的横截面面积为相应的变截面杆横截面面积的平均面积表示，每一小段称为一个单元，小段之间通过节点连接起来。

高精度有限元方法在流体动力学中的应用分析高精度有限元方法在流体动力学中的应用分析一、流体动力学概述流体动力学是研究流体运动规律及其与周围环境相互作用的学科，它在航空航天、水利工程、环境科学、生物医学等领域有着广泛的应用。

随着计算技术的飞速发展，数值模拟已成为研究流体动力学的重要手段之一。

在众多数值方法中，有限元方法因其灵活性和适应性强而受到广泛关注。

高精度有限元方法通过提高数值计算的精度，能够更准确地模拟流体动力学问题，从而为工程设计和科学研究提供更可靠的数据支持。

1.1 流体动力学的基本特性流体动力学研究的对象是流体，包括液体和气体。

流体的基本特性包括连续性、可压缩性和粘性。

连续性意味着流体由无数个分子组成，其内部不存在空隙；可压缩性描述了流体在受到外力作用时体积的变化；粘性则涉及到流体内部分子间的摩擦力，它对流体的运动和能量传递有重要影响。

1.2 流体动力学的数值模拟方法流体动力学的数值模拟方法主要包括有限差分法、有限体积法和有限元法等。

有限差分法通过在空间和时间上对流体动力学方程进行离散化来求解；有限体积法基于流体动力学控制体积的概念，通过积分守恒定律来构建数值方程；而有限元法则是将求解域划分为有限数量的单元，通过在每个单元内近似求解方程，再将单元的解组合起来得到全局解。

二、高精度有限元方法的基本原理高精度有限元方法的核心在于提高数值计算的精度，它通过采用高阶插值函数和改进的数值积分技术来实现。

与传统的低阶有限元方法相比，高精度有限元方法能够更好地捕捉流体动力学问题中的复杂特征，如边界层、激波等。

2.1 高阶插值函数的应用在有限元方法中，插值函数的选择对计算精度有着直接影响。

高阶插值函数能够更精确地近似描述流体的物理特性和运动规律。

例如，使用三次或四次多项式插值函数可以显著提高速度场和压力场的计算精度。

2.2 改进的数值积分技术数值积分是有限元方法中的关键步骤之一，它涉及到将单元内的积分计算转化为数值形式。

第二章有限元法的基本原理有限元法吸取了有限差分法中的离散处理内核，又继承了变分计算中选择试探函数并对区域积分的合理方法。

有限元法的理论基础是加权余量法和变分原理，因此这里首先介绍加权余量法和变分原理。

2.1等效积分形式与加权余量法加权余量法的原理是基于微分方程等效积分的提法，同时它也是求解线性和非线性微分方程近似解的一种有效方法。

在有限元分析中，加权余量法可以被用于建立有限元方程，但加权余量法本身又是一种独立的数值求解方法。

2.1.1微分方程的等效积分形式工程或物理学中的许多问题，通常是以未知场函数应满足的微分方程和边界条件的形式提出来的，可以一般地表示为未知函数u 应满足微分方程组⎛A 1(u )⎫ ⎪A (u )= A 2(u )⎪=0（在Ω内）（2-1） M ⎪⎝⎭域Ω可以是体积域、面积域等，如图2-1所示。

同时未知函数u 还应满足边界条件⎛B 1(u )⎫ ⎪B (u )= B 2(u )⎪=0（在Γ内）（2-2）M ⎪⎝⎭要求解的未知函数u 可以是标量场（例如压力或温度），也可以是几个变量组成的向量场（例如位移、应变、应力等）。

A ，B 是表示对于独立变量（例如空间坐标、时间坐标等）的微分算子。

微分方程数目应和未知场函数的数目相对应，因此，上述微分方程可以是单个的方程，也可以是一组方程。

所以在以上两式中采用了矩阵形式。

以二维稳态的热传导方程为例，其控制方程和定解条件如下：A (φ)=∂∂φ∂∂φ(k )+(k )+q =0（在Ω内）（2-3）∂x ∂x ∂y ∂y⎧φ-φ=0⎪B(φ)=⎨∂φ-q=0⎪k⎩∂n （在Γφ上）（在Γq上）（2-4）这里φ表示温度（在渗流问题中对应压力）；k是流度或热传导系数（在渗流问题中对应流度K/μ）；φ和q是边界上温度和热流的给定值（在渗流问题中分别对应边界上的压力和边界上的流速）；n是有关边界Γ的外法线方向；q是源密度（在渗流问题中对应井的产量）。