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《ANSYS 14.0超级学习手册》一1.1 有限元法概述

简介:

本节书摘来自异步社区《ANSYS 14.0超级学习手册》一书中的第1章,第1.1节,作者 张建伟 , 白海波 , 李昕,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

1.1 有限元法概述

ANSYS 14.0超级学习手册
随着现代科学技术的发展,人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能,需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。

例如,分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响,看看是否会发生破坏性事故;分析计算核反应堆的温度场,确定传热和冷却系统是否合理;分析涡轮机叶片内的流体动力学参数,以提高其运转效率。如果把这些都归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。

近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。

1.1.1 有限元法的发展

有限元法是一种高效能、常用的计算方法.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,因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中,而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。

20世纪50年代,飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组,首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析,经过一番波折后获得成功。同一时期,大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作,这为实现有限元技术准备好了物质条件。1960年前后,美国的R.W.Clough教授及中国的冯康教授分别独立地在论文中提出了“有限单元”这样的名词。此后,这样的叫法被大家接受,有限元技术从此正式诞生。

1990年10月美国波音公司开始在计算机上对新型客机B-777进行“无纸设计”,仅用了三年半时间,于1994年4月第一架B-777就试飞成功,这是制造技术史上划时代的成就,其中在结构设计和评判中就大量采用有限元分析这一手段。

在有限元分析的发展初期,由于其基本思想和原理的“简单”和“朴素”,以致于许多学术权威都对其学术价值有所鄙视,国际著名刊物Journal of Applied Mechanics许多年来都拒绝刊登有关于有限元分析的文章。然而现在,有限元分析已经成为数值计算的主流,不但国际上存在如ANSYS等数种通用有限元分析软件,而且涉及到有限元分析的杂志也有几十种之多。

有限元的应用范围也是相当广泛。它涉及到工程结构、传热、流体运动、电磁等连续介质的力学分析中,并在气象、地球物理、医学等领域得到应用和发展。电子计算机的出现和发展使有限元法在许多实际问题中的应用变为现实,并具有广阔的前景。

国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本,是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在,世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。

1.1.2 有限元法的基本概念

有限元法,也叫有限元法,它的基本思想是将一个结构或连续体的求解域离散为若干个子域(单元),并通过它们边界上的节点相互联结成为组合体。

有限元法用每一个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知场变量,而每个单元内的近似函数由未知函数或及其导数在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表示。由于在联结相邻单元的节点上,场函数应具有相同的数值,因而将它们用作数值求解的基本未知量。这样一来,求解原来待求场函数的无穷自由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。

有限元法又是通过和原问题数学模型(基本方程、边界条件)等效的变分原理或加权余量法,建立求解基本未知量(场函数的节点值)的代数方程组或微分方程组。此方程组称为有限元求解方程,并表示成规范的矩阵形式。接着用数值方法求解此方程,从而得到问题的解答。

结构离散(有限元建模)的内容有网格划分——把结构按一定规则分割成有限单元,边界处理——把作用于结构边界上约束和载荷处理为节点约束和节点载荷。其中要求:离散结构必须与原始结构保形——单元的几何特性。一个单元内的物理特性必须相同——单元的物理特性。

单元与节点中单元即原始结构离散后,满足一定几何特性和物理特性的最小结构域。节点即单元与单元间的连接点。节点力即单元与单元间通过节点的相互作用力。节点载荷即作用于节点上的外载。

插值函数(或位移函数)是用以表示单元内物理量变化(如位移或位移场)的近似函数。由于该近似函数常由单元节点物理量值插值构成,故称为插值函数,如单元内物理量为位移,则该函数称为位移函数。

选择位移函数的一般原则是:位移函数在单元节点的值应等于节点位移(即单元内部是连续的);所选位移函数必须保证有限元的解收敛于真实解。要注意的是为了便于微积分运算,位移函数一般采用多项式形式,在单元内选取适当阶次的多项式可得到与真实解接近的近似解。

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