位移反分析的有限元线法及其工程应用
第23卷 第7期
岩石力学与工程学报 23(7)：1146～1149
2004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2004
2002年5月20日收到初稿，2002年7月29日收到修改稿。
作者 赵 冰 简介：男，1972年生，在职博士生，1996年毕业于湘潭矿业学院，现任讲师，主要从事力学、岩土与桥梁工程方面的教学与科研工作。
位移反分析的有限元线法及其工程应用
赵 冰1，
2 盛国刚2 李 宁1
，3
(1西安理工大学水利水电学院 西安 710048) (2长沙交通学院桥梁与结构工程系 长沙 410076)
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 兰州 730000)
摘要 有限元线法作为一种半解析的数值方法，具有网格剖分简单，计算精度高等优点。将有限元线法应用 于岩土工程位移反分析，提出基于有限元线法的位移反分析方法。工程实例显示了该方法的可行性。 关键词 岩土力学，有限元线法，反分析，岩土工程
分类号 O 39，TU 452 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)07-1146-04
BACK ANALYSIS METHOD BASED ON FINITE ELEMENT METHOD OF
LINES AND ITS APPLICATION TO GEO-ENGINEERING
Zhao Bing 1，
2，Sheng Guogang 2，Li Ning 1
，3
(1Instntite of Water Resources and Hydroelectrical Engineering ，Xi ′an University of Technology ， Xi ′an 710048 China ) (2Department of Bridge and Structure Engineering ，Changsha Communication University ， Changsha 410076 China )
(3Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute ，CAS ， Lanzhou 730000 China )
Abstract Finite element method of lines (FEMOL) is combined with back-analysis method for geo-engineering problem. The back analysis method based on FEMOL is put forward for the first time in this paper ，which not only sheds new lights on the more effective application of FEMOL ，but also enriches the techniques of back analysis. This method is verified in a practical engineering example with satisfactory results.
Key words rock and soil mechanics ，finite element method of lines ，back analysis ，geo-engineering
1 引 言
有限元线法是新发展起来的一种有潜力的数值方法[1
～3]
。它具有网格剖分简单，计算精度高，对
结构形状、荷载形式有良好适应性等优点，较好地结合了有限单元法和边界单元法的优势。由于目前反演分析所运用的数值方法主要是有限单元法和边界单元法[4
～10]
，同时，考虑到有限元线法在线弹性
领域已经成熟，本文将有限元线法同岩土工程反分析理论相结合，探讨用于岩土工程反演确定初始地应力和围岩参数的方法。
2 有限元线法简介
有限元线法的基本思想[2]是取结线函数作为基本未知量，利用参数映射技术将单元映射成局部坐标系下的规则单元，在局部坐标系下进行函数插值，然后，应用泛函驻值条件导出一组常微分方程及相应的边界条件，最后，选用高质量的常微分方程求解器得到满足用户预先指定的误差度的常微分方程解答，从而使问题得以求解。 2.1 离散化及其映射关系
图1给出了一个可能的有限元线法网格划
第23卷 第7期 赵 冰等. 位移反分析的有限元线法及其工程应用 ? 1147 ?
分。图中，①，②，…，⑥表示单元代码；<1>，<2>，…，<14>表示整体结线码；1，2，…，21表示整体节点码；虚线为单元内部结线。①，④为线性单元；②，⑤为二次单元；③，⑥为三次单元。
有限元线法的单元映射分两步进行：首先，用参数η将任意的第i 条结线映射为定义在∈η ]1 1[+?，区间上的一条标准直线，)([ηi i x x ==i x
图1 有限元线法网格
Fig.1 Mesh of finite element method of line
)](ηi x ；然后，通过参数对结线插值将单元映射成定义在局部坐标)(ηξ，下的标准方形单元。
??
?
??
??
==∑∑+=+=1
11
1
)()()()(p i i i p i i i y N y x N x ηξηξ (1) 式中：)(ξi N 为p 次Lagrange 插值多项式；p =1，2，3，分别表示单元为一次单元、二次单元和三次
单元。
2.2 常微分方程的导出
在完成单元映射后，单元内部位移可以由结线
位移在局部坐标系)(ηξ，中沿ξ方向的Lagrange 插值多项式表示，
e
)}()]{([}{ηξd N u = (2)
式中：}{u 为单元位移向量，)]([ξN 为单元形函数矩阵，e )}({ηd 为单元结线位移向量。
有了单元的位移之后，根据几何方程和物理方程可求出单元的应力和应变，进而可求出由结线位
移向量表示的单元总势能。结构总势能可以通过集成所有单元总势能求得。利用结构总势能的驻值条件，可得如下形式的变系数常微分方程组：
}0{}{}]{[}]{[}]{[=++′+′′F d H d G d A
)11(＜＜η? (3)
上式配以适当的边界条件可直接用常微分方程求解器求解，进而可得到结构的位移和应力。
3 反分析原理
3.1 叠加原理
设初始地应力分量为随空间坐标而变化的线 性函数[4]，则对应的应力函数为
3726253423221z a xz a z x a x a z a xz a x a ++++++=?
(4)
设工程区域内的平均加权容重为γ，且沿z 方向，
由弹性理论可知初始地应力分量为
??
?
???+=???=?++=?++=++=++=z
A x A A z a x a a z A x A A z a x a a z
A x A A z a x a a xy y x 267652654541321763 22)( )2(62622τγγσσ
(5)
式中：k A 为独立常数(k =1，2，…，7)。
设某任意测线开挖引起的总位移为*U ，并设该测线由初始地应力分量中的某独立常数k A 产生的位移为k U (k =1，…，L ，L 为独立常数的总个数)。由线弹性理论的叠加原理可知，由于洞室开挖而引起的围岩位移变化量是由各初始地应力分量中的各独立常数单独作用下产生的位移变化量叠加而成，则有
) 2 1(1*
，，， L k U U L
k k L ==∑= (6)
反分析计算问题中，*U 为通过现场量测采集的已知量。设k d 为各初始地应力分量表达式中的某独立常数k A 等于1，且其余独立常数皆为零时引起的位移，则各测线由各应力分量引起的位移值可表示为k k k d A U =(k =1，2，…，L )，代入式(6)，可得
) 2 1( 1
*
，，， L k d A U L
k k k L ==∑= (7)
上式可用于建立已知k d 值求解k A 值的方程组。如果将地层弹性模量E 也作为反演计算的待求参数，则可在计算k d 值时将弹性模量取为1，并且将式(7)改写为
15
16
17
18 19
20218
9 10 11 12 13
14
1 3 4 5 6 7<8> <9> <10> <11>
<12> <13><14>
<1>
<2> <3> <4> <5> <6> <7>④ ⑤ ⑥ ①②
③
? 1148 ? 岩石力学与工程学报 2004年
，，， ) 2 1(11
*
L k d A E U L
k k k L ==∑= (8)
对于每一个测线都可写出一个形如式(8)的方程，如果将位移测线的总数记为N ，可得出量测方程组为
∑==L
k k k i
i d A E U 1
*1
，，，； ，，，) 2 1 2 1(N i L k L L == (9) 式中：i 为测线编号。当量测信息总数大于或等于未知数总数时，不难解出k A 值和地层综合弹性模量
E 值；特别是当1+L i ＞时，可对反演计算法进行
优化处理，以提高计算精度。 3.2 d k 值的取得
当某独立常数k A =1，其余的k A 都取为零时，可由式(5)得出此时的各初始地应力的值，进而由反转应力释放法得到边界释放荷载。此时，利用有限元线法基本方程及程序，将上述边界释放荷载作为边界条件，求出对应测线的相对位移值，即为k d 值。
利用式(9)可求k A 值，再将k A 代入式(5)便可得到初始地应力的数值解。
4 工程实例分析
图2为某抽水蓄能电站实验洞及位移量测线布置图(图中，①，②，…，⑥为测线号)，表1为用作反分析计算输入数据的实测位移。按两种方法进行了反演计算；(1) 采用本文所述的有限元线法反算法，(2) 采用有限元反算法。两种反算法的标准初始地应力结果列于表2。
已知实验洞平均埋深H =110 m ，岩层容重=γ 27.2 kN/m 3，泊松比=μ0.24，如果将垂直初始地力
图2 实验洞及位移量测线布置图
Fig.2 Test cavity and arrangement of measuring lines
表1 用于反分析的实测位移
Table 1 Real displacements for back analysis
测线号 收敛位移/mm
① 1.157 ② 1.100 ③ 1.129 ④ 1.100 ⑤ 1.443 ⑥
0.843
表2 两种反算法的标准初始地应力值 Table 2 Standard initial in-situ stresses for two
backa analysis methods
算法
E
x σ
E
x σ
E
x σ
有限元法反算 0.248739×10－
3 0.428013×10－
3 0.428013×10－
3 有限元线法反算 0.245312×10－
3 0.427422×10－
3 －0.112342×10
－4
取为上覆岩层的自重应力，即y σ= γ H = 2.934 MPa ，则可以此类推所有其余初始地应力分量值。
上述反分析结果的可靠性及本章所述方法的优越性可由以下实测结果及分析得到验证：
(1) 现场承压板实验测定的弹模值为8.82～9.8 GPa 。两种算法结果都较为接近该范围。有限元线法反算法的精度比有限元反算法略高，体现了有限元线法的优越性。考虑到反算弹模值实际上是较大范围内岩体的综合弹模，由承压板得到的弹模值通常偏大，且反分析计算是在卸荷状态下实现，其工作状态比承压板法更符合实际。可见反算法是可信的。
(2) 将反算所得的初始地应力和弹性模量作为
已知量，可获得实验洞围岩的位移分布。图3为计算相对位移与实测收敛位移的比较。结果表明，计算位移与实测位移基本相符，且有限元线法更为可靠。
(3) 施工现场曾采用现场量测技术对工程区域的侧压力系数值作了测算。实测值为0.570 0，有限元线法反算值为0.573 9，有限元法反算值为0.572 1，二者都与实测值较为接近，但有限元线法更接近实测值(表3)。
第23卷 第7期 赵 冰等. 位移反分析的有限元线法及其工程应用 ? 1149 ?
图3 计算相对位移与实测收敛位移的比较
Fig.3 Comparison of calculated displacements and measured
convergences
表3 两种反算法的初始地应力、弹模、静止侧压
力系数
Table 3 Initial in-situ stresses ，elastic module and
coefficients of earth pressure of two back analysis methods
算法 σx /MPa σxy /MPa
E /MPa 静止侧压力系数k
有限元法反算 1.684 0 －0.077 1 6.864 8 0.573 9 有限元线法反算
1.705 2 －0.077 1
6.855 3
0.581 1
5 结 语
将有限元线法运用于反分析研究中，工程实例证明了该方法精度高、输入数据少、网格剖分简单等优点。该方法可以有效地发挥有限元线法的独特 优势。
参 考 文 献
1
赵 冰，喻小明. 一种基于有限元线法的位移反分析方法[J]. 长沙交通学院学报，2001，(1)：11～13
2
Si Y uan. The Finite Element Method of Lines[M]. Beijing ：Science Press ， 1993
3
袁 驷. 计算力学的有限元线法[J]. 力学进展，1992，22(2)：208～216
4
王登刚，刘迎曦，李守巨. 岩土工程位移反分析的遗传算法[J]. 岩石力学与工程学报，2000，19(增)：979～982
5 李 宁，尹森菁. 边坡安全监测的仿真反分析[J]. 岩石力学与工程学报，1996，15(1)：9～18
6 杨林德. 岩土工程问题的反演理论与工程实践[M]. 北京：科学出版社，1996
7
高 玮，郑颖人. 基于遗传算法的岩土本构模型辨识[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21(1)：9～12
8
于学馥，郑颖人，刘怀恒等. 地下工程围岩稳定分析[M]. 北京：煤炭工业出版社，1983
9 王芝银，李云鹏. 地下工程位移反分析法及程序[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1993
10
刘 宁，吴海斌，方 军. 地下洞室围岩可靠度的敏感性分析[J]. 岩石力学与工程学报，2000，19(增)：946～951
下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章： (1) 岩石力学特性的试验研究；
(2) 岩石力学与工程的多场耦合数值模拟分析； (3) 地震和爆破工作用下的岩土工程的响应分析； (4) 研究进展与工程实录； (5) 讨论与博士学位论文摘要。
0.0
1.0
2.0
①
②
③④
⑤
⑥
位移/m m
测线号
下期内容预告
abaqus有限元分析过程
一、有限单元法的基本原理 有限单元法（The Finite Element Method）简称有限元（FEM），它是利用电子计算机进行的一种数值分析方法。它在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。 有限元方法的基本思路是：化整为零，积零为整。即应用有限元法求解任意连续体时，应把连续的求解区域分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个结点，假设一个简单的函数（称插值函数）近似地表示其位移分布规律，再利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元结点的力和位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程组，从而求解结点的位移分量. 进而利用插值函数确定单元集合体上的场函数。由位移求出应变, 由应变求出应力 二、ABAQUS有限元分析过程 有限元分析过程可以分为以下几个阶段 1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型――有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。
2.计算阶段:计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。 由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成 3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理， 并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。 下列的功能模块在ABAQUS/CAE操作整个过程中常常见到，这个表简明地描述了建立模型过程中要调用的每个功能模块。 “Part（部件） 用户在Part模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。 Property（特性） 截面（Section）的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。 Assembly（装配件） 所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。用户可使用Assembly模块生成部件的副本（instance），并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。 一个ABAQUS模型只包含一个装配件。
matlab有限元分析实例
MATLAB: MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人，控制系统等领域。 MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室），软件主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。 MATLAB有限元分析与应用:
《MATLAB有限元分析与应用》是2004年4月清华大学出版社出版的图书，作者是卡坦，译者是韩来彬。 内容简介： 《MATLAB有限元分析与应用》特别强调对MATLAB的交互应用，书中的每个示例都以交互的方式求解，使读者很容易就能把MATLAB用于有限分析和应用。另外，《MATLAB有限元分析与应用》还提供了大量免费资源。 《MATLAB有限元分析与应用》采用当今在工程和工程教育方面非常流行的数学软件MATLAB来进行有限元的分析和应用。《MATLAB有限元分析与应用》由简单到复杂，循序渐进地介绍了各种有限元及其分析与应用方法。书中提供了大量取自机械工程、土木工程、航空航天工程和材料科学的示例和习题，具有很高的工程应用价值。
精讲solidworks有限元分析步骤
2013-08-29 17:31 by:有限元来源:广州有道有限元 1. 软件形式： ㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 ㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。 ㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2. 使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要， （即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。 ▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。
有限元模态分析报告实例
ANSYS模态分析实例 5.2ANSYS建模 该课题研究的弹性联轴器造型如下图5.2： 在ANSYS中建立模型，先通过建立如5.2所式二分之一的剖面图，通过绕中轴线旋转建立模拟模型如下图5.3
5.3单元选择和网格划分 由于模型是三给实体模型，故考虑选择三维单元，模型中没有圆弧结构，用六面体单元划分网格不会产生不规则或者畸变的单元，使分析不能进行下去，所以采用六面体单元。经比较分析，决定采用六面体八结点单元SOLID185，用自由划分的方式划分模型实体。课题主要研究对象是联轴器中橡胶元件，在自由划分的时候，中间件2网格选择最小的网格，smart size设置为1，两端铁圈的smart size设置为6，网格划分后模型如图5.4。 5.4边界约束 建立柱坐标系R-θ-Z，如5-5所示，R为径间，Z为轴向
选择联轴器两个铁圈的端面，对其面上的节点进行坐标变换，变换到如图5.5所示的柱坐标系，约束节点R，Z方向的自由度，即节点只能绕Z轴线转 5.5联轴器模态分析 模态分析用于确定设计中的结构或者机器部件振动特性（固有频率和振型），也是瞬态变动力学分析和谐响应分析和谱分析的起点。 在模态分析中要注意：ANSYS模态分析是线性分析，任何非线性因素都会被忽略。因此在设置中间件2的材料属性时，选用elastic材料。 5.5.1联轴器材料的设置 材料参数设置如下表5-1： 表5.1材料参数设置 表5.1材料参数设置 铁圈1 中间件2 铁圈3 泊松比0.3 0.4997 0.3 弹性模量Mpa 2E5 1.274E3 2E5 密度kg/m 7900 1000 7900 5.5.2联轴器振动特性的有限元计算结果及说明 求解方法选择Damped方法，频率计算结果如表5-2，振型结果为图5.6： 表5.2固有频率 SET TEME/FREQ LOAO STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 40.199 1 1 1 1 73.63 2 1 2 2 3 132.42 1 3 3 4 197.34 1 4 4
基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析
目录 摘要 (1) 1引言 (1) 2 简要介绍有限元和极限平衡方法 (1) 3影响边坡稳定性的因素 (2) 3.1水位下降速度的影响 (2) 3.2 不排水粘性土对边坡失稳的影响 (5) 3.3 裂缝位置的影响 (9) 4 总结和结论 (12)
基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析 摘要：相较于有限元分析法，极限平衡法是一种常用的更为简单的边坡稳定性分析方法。这两种方法都可用于分析均质和不均质的边坡，同时考虑了水位骤降，饱和粘土和存在张力裂缝的条件。使用PLAXIS8.0(有限元法)和SAS-MCT4.0(极限平衡方法)进行了分析，并对两种方法获得的临界滑动面的安全系数和位置进行了比较。 关键词：边坡稳定；极限平衡法；有限元法；PLAXIS；SAS-MCT 1.引言 近年来，计算方法，软件设计和高速低耗硬件领域都得到快速发展，特别是相关的边坡稳定性分析的极限平衡法和有限元方法。但是，使用极限平衡方法来分析边坡，可能会在定位临界滑动面(取决于地质)时出现几个计算困难和前后数值不一致，因此要建立一个安全系数。尽管极限平衡法存在这些固有的局限性，但由于其简单，它仍然是最常用的方法。然而，由于个人电脑变得更容易获得，有限元方法已越来越多地应用于边坡稳定性分析。有限元法的优势之一是，不需要假设临界破坏面的形状或位置。此外，该方法可以很容易地用于计算压力，位移，路堤空隙压力，渗水引起的故障，以及监测渐进破坏。 邓肯(1996年)介绍了一个综合观点，用极限平衡和有限元两种方法对边坡进行分析。他比较了实地测量和有限元分析的结果，并且发现一种倾向，即计算变形大于实测变形。Yu 等人(1998年)比较了极限平衡法和严格的上、下界限法对于简单土质边坡的稳定性分析的结果，同时，他们也将采用毕肖普法和利用塑性力学上、下限原理的界限法得到的结果进行了比较。Kim等人(1999年)同时使用极限平衡法和极限分析法对边坡进行分析，发现对于均质土边坡，得自两种方法的结果大体是一致的，但是对于非均质土边坡还需要进行进一步分析工作。Zaki(1999年)认为有限元相对于极限平衡法更显优势。Lane和Griffiths (2000年) 提出一个看法，用有限元方法在水位骤降条件下评价边坡的稳定性，应绘制出适用于实际结构的操作图表。Rocscience有限公司(2001年)提出了一个文件，概述了有限元分析方法的能力，并通过与各种极限平衡方法的结果比较，提出了有限元方法更为实用。Kim等人(2002年)用上、下界限法和极限平衡法分析了几处非均质土体且几何不规则边坡的剖面。这两种方法给出了类似有限元分析法产生的安全系数，临界滑动面位置。 2.简要介绍有限元和极限平衡方法 有限元法(FEM)是一个应用于科学和工程中，求解微分方程和边值问题的数值方法。进一步的细节，读者可参考Clough和Woodward(1967年)，Strang和Fix(1973年)，Hughes(1987年)，Zienkiewicz和Taylor(1989年)所做的研究工作。 PLAXIS 8版(Brinkgreve 2002年)是一个有限元软件包，应用于岩土工程二维的变形和 折稳定性分析。该程序可以分析自然成型或人为制造的斜坡问题。安全系数的确定使用c
有限元实例分析
作业一：有限元分析实例 实例：请对一个盘轴配合机构进行接触分析。轴为一等直径空心轴，盘为等厚度圆盘，其结构及尺寸如图所示。盘和轴为一种材料，材料参数为：弹性模量Ex=2.5E5，泊松比NUXY=0.3，摩擦系数MU=0.25，试采用有限元计算方法分析轴和盘在过盈配合时的应力应变分布以及将轴从盘心拔出时轴和盘的接触情况。 问题分析说明 （1）本题主要分析装配过程中结构的静态响应，所以分析步选择通用静态分析步。由于为过盈配合，属于大变形，故应考虑几何 非线性的影响。 （2）模型具有轴对称性，所以可以采取轴对称模型来进行分析，先建立二维模型计算，再转换为三维模型计算，这样可以节省计
算时间。分析过程由两个载荷步组成, 第一个载荷步为过盈分 析, 求解过盈安装时的情况。第二个载荷步为将轴从盘心拔出 时的接触分析, 分析在这个过程中盘心面和轴的外表面之间的 接触应力。它们都属于大变形问题, 属于非线性问题。在分析 时需要定义一些非线性选项来帮助问题的收敛。 （3）接触面之间有很大的相对滑动，所以模型要使用有限滑移。 模型建立的分析说明 （1）进定义单元类型此项实例分析的问题中涉及到大变形, 故选用So li d185 单元类型来建立本实例入部件模块，的模型。盘 轴接触问题属于面面接触, 目标面和接触面都是柔性的, 将使用接触单元T ARGET 170 和CO NTAT17 4来模拟接 触面。分别创建名为为part1、part2的部件。 （2）定义材料属性，在线性各向同性材料属性对话框中的EX (弹性模量) 文本框中输入 2 . 5E5,PRX Y (泊松比) 文本框中输入 0 . 3,并将定义的材料属性赋予给part1和part2。如下图所示。 （3）进入装配模块，创建两者间的装配关系。
有限元法的基本思想及计算 步骤
有限元法的基本思想及计算步骤 有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。 用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多，其中最主要的计算步骤为： 1）连续体离散化。首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有：杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。 2）单元分析。所谓单元分析，就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。现以三角形单元为例说明单元分析的过程。如图1所示，三角形有三个结点i，j，m。在平面问题中每个结点有两个位移分量u，v和两个结点力分量F x，F y。三个结点共六个结点位移分量可用列
有限元实例分析1
有限元实例练习分析 学号： 姓名： 专业：材料成型及控制工程 201年5月2日
引言 有限元方法发展到今天。已经成为一门相当复杂的实用工程技术。有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征。即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征。Marc是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的非线型有限元分析软件，可广泛应用于航空航天、汽车、造船、石油化工、铁道、能源、电子元件、机械制造、材料工程、土木工程、医疗器材、冶金工艺和家用电器等。该软件功能特色具体包括：多种物理场的分析能力、复合场的耦合分析能力、强大的非线性分析能力、最先进的接触分析功能、并行计算功能、丰富的单元库、开放的用户环境、强大的网格自适应功能和全自动三维网格重划分；Marc的学习、应用是一个系统、复杂的工程。由于它涉及到多方面的知识，所以在学Marc的过程中一定要对Marc所涉及到的一些理论知识有一个大概的了解，以加深对Marc的理解。
目录 引言 一、目的 (4) 二、软件应用介绍 (4) 三、实例内容 (6) 四、求解步骤 (6) 1. 建立有限元模型 (6) 2. 加载求解 (11) 3、后处理 (12) 五、总结 (16) 参考文献
有限元实例练习分析 一、目的 1、熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。 2、能利Marc软件对实例结构进行静力有限元分析。 3、加深有限元理论关于网格划分概念、划分原则等的理解。 二、软件应用介绍 有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现在计算方法。它是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，随后很快广泛的应于求解热传导、电磁场、流体力学等连连续行问题。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。 （一）有限元软件发展特点 1. 单一场计算向多物理耦合场问题的求解发展 2. 由求解线性问题发展到求解非线性问题 3. 与CAD/CAM等软件的集成 4. 提高自动化的网格处理能力 5．软件面向专业用户的开放性 6. 软件开发强强联合 (二)、分析研究过程 1、前处理 （1）建模 有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特
solidworks进行有限元分析的一般步骤
1.软件形式： ㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 ㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。 ㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2.使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要， （即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。 ◇右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料到所有”——所有零部件将被赋予相同的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下的某个具体零件文件夹并选择“应用材料到所有实体”——某个零件的所有实体(多实体)将被赋予指定的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下具体零件的某个“Body”并选择“应用材料到实体”——只有
有限元分析案例
有限元分析案例 图1 钢铸件及其砂模的横截面尺寸 砂模的热物理性能如下表所示: 铸钢的热物理性能如下表所示: 一、初始条件:铸钢的温度为2875o F，砂模的温度为80o F；砂模外边界的对流边界条件：对流系数0.014Btu/hr.in2.o F，空气温度80o F；求3个小时后铸钢及砂模的温度分布。 二、菜单操作: 1.Utility Menu>File>Change Title, 输入Casting Solidification; 2.定义单元类型:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete, Add, Quad 4node 55； 3.定义砂模热性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic,默认材料编号1, 在Density(DENS)框中输入0.054,在Thermal conductivity (KXX)框中输入0.025,在S pecific heat(C)框中输入0.28; 4.定义铸钢热性能温度表:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table,输入T1=0,T2=2643, T3=2750, T4=2875; 5.定义铸钢热性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent ->Prop Table, 选择Th Conductivity,选择KXX, 输入材料编号2,输入C1=1.44, C2=1.54, C3=1.22, C4=1.22,选择Apply,选择Enthalpy,输入C1=0, C2=128.1, C3=163.8, C4=174.2; 6.创建关键点:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>Keypoints>In Active
ANSYS 有限元分析基本流程
第一章实体建模 第一节基本知识 建模在ANSYS系统中包括广义与狭义两层含义，广义模型包括实体模型和在载荷与边界条件下的有限元模型，狭义则仅仅指建立的实体模型与有限元模型。建模的最终目的是获得正确的有限元网格模型，保证网格具有合理的单元形状，单元大小密度分布合理，以便施加边界条件和载荷，保证变形后仍具有合理的单元形状，场量分布描述清晰等。 一、实体造型简介 1．建立实体模型的两种途径 ①利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模： ②利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。 2．实体建模的三种方式 (1)自底向上的实体建模 由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。 (2)自顶向下的实体建模 直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。 (3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模 可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型，即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时，实体模型的建立比较1e单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。 二、ANSYS的坐标系 ANSYS为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。 ①全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位置。 ②显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。 ③节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 ④单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。 1．全局坐标系 全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下，建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y-柱坐标系。4种全局坐标系有相同的原点，且遵循右手定则，它们的坐标系识别号分别为：0是笛卡尔坐标系(cartesian)，1是柱坐标系 (Cyliadrical)，2是球坐标系(Spherical)，5是Y-柱坐标系(Y-aylindrical)，如图2-1所示。
ansys有限元建模与分析实例-详细步骤
《有限元法及其应用》课程作业ANSYS应用分析 学号： 姓名： 专业：建筑与土木工程
角托架的有限元建模与分析 一 、模型介绍 本模型是关于一个角托架的简单加载，线性静态结构分析问题，托架的具体形状和尺寸如图所示。托架左上方的销孔被焊接完全固定，其右下角的销孔受到锥形压力载荷，角托架材料为Q235A 优质钢。角托架材料参数为：弹性模量366E e psi =；泊松比0.27ν= 托架图（厚度：0.5） 二、问题分析 因为角托架在Z 方向尺寸相对于其在X,Y 方向的尺寸来说很小，并且压力荷载仅作用在X,Y 平面上，因此可以认为这个分析为平面应力状态。 三、模型建立 3.1 指定工作文件名和分析标题 （1）选择菜单栏Utility Menu → 命令.系统将弹出Jobname(修改文件名)对话框,输入bracket （2）定义分析标题 GUI ：Utility Menu>Preprocess>Element Type>Add/Edit/Delete 执行命令后，弹出对话框，输入stress in a bracket 作为ANSYS 图形显示时的标题。 3.2设置计算类型 Main Menu: Preferences … →select Structural → OK 3.3定义单元类型 PLANE82 GUI ：Main Menu →Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete 命令，系统将弹出Element Types 对话框。单击Add 按钮，在对话框左边的下拉列表中单击Structural Solid →Quad 8node 82，选择8节点平面单元PLANE82。单击ok ，Element Types 对话框，单击Option ，在Element behavior 后面窗口中选取Plane strs w/thk 后单击ok 完成定义单元类型。 3.4定义单元实常数 GUI ：Main Menu: Preprocessor →Real Constants →Add/Edit/Delete ，弹出定义实常数对话框，单击Add ，弹出要定义实常数单元对话框，选中PLANE82单元后，单击OK →定义单元厚度对话框，在THK 中输入0.5.
有限元方法理论及其应用
1 课程论文：弹性力学有限元位移法原理（30分） 撰写一篇论文，对有限元位移法的原理作一般性概括和论述。要求论文论及但不限于下列内容：1）弹性力学有限元位移法的基本思想和数学、力学基础；2）有限元法求解的原理和过程，推导计算列式；对基本概念和矩阵符号进行解释和讨论；3）等参单元的概念、原理和应用。 1.1 对一维杆单元有限元形式的理解 我对此提出了几点疑问： 1)为什么边界条件u1=0，就要划去刚度矩阵[K]中对应的行列再解方程？ 2)为什么刚度矩阵[K]会奇异？ 3)为什么平衡方程本身是矛盾的，而加上边界条件u1=0之后就能解出一 个唯一的近似解？ 4)为什么刚度矩阵[K]是对称的？ 下面我谈谈自己的理解:节点平衡方程是在u1不定的前提下，假设单元内位移都是线性变化推导出来的，由此u1相当于一个不确定的定值约束，再加上中间两个节点的连续性要求，系统实际上只有三个独立的自由度（广义坐标）。 对于第一个问题，其实刚度矩阵[K]中的元素不是一成不变的，相反它是伴随边界条件动态变化的。当u1=0时由刚度矩阵的推导过程可以知道，刚度矩阵的第一行和第一列都会变为0，所以此时第一行和第一列对于求解方程是没有作用的。 对于第二个问题，由于系统自由度（广义坐标）只有三个，而我们的方程却列出
了四个，显然
这四个方程不可能线性无关，所以刚度矩阵奇异。 对于第三个问题，首先我们应该明确方程区别于等式，虽然左右两边都是用“=”连接，但是方程只在特殊条件下取得定解。由于平衡方程是在没有约束的条件下推导出来的，显然它不可能满足等式要求。宏观上看，系统在没有外部约束，而又施加有外力，显然系统会产生加速度而绝不会平衡。所以平衡方程本身是矛盾的。而加上边界条件之后，不但满足了平衡的前提，还改变了矩阵的结构和性质，所以有解。但是，由于我们提前假设了位移线性变化，相当于人为对单元施加了额外约束，让位移按照我们假设的规律变化，所以得到的解是过刚的近似解。但对于方程本身而言是精确解。 对于第四个问题，其力学的作用机理类似于作用力与反作用力，由于刚度矩阵不表征方向，所以其大小是相等的。 1.2 有限元法的思想 有限元法是求解连续介质力学问题的数值方法，更一般意义是一种分析结构问题和连续场数学物理问题的数值方法。 有限元法的基本思想是离散化和分片插值。 即把连续的几何机构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。 求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件。单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机解出节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。
ansys有限元案例分析实施报告
ANSYS有限元案例分析报告
ANSYS 分析报告 一、 ANSYS 简介: ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发，它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级CAE 工具之一。 本实验我们用的是ANSYS14.0软件。 二、 分析模型： 具体如下： 如图所示，L/B=10，a= 0.2B , b= (0.5-2)a ，比较 b 的变化对 最大应力 x 的影响。 三、 模型分析： 该问题是平板受力后的应力分析问题。我们通过使用ANSYS 软件求解，首先要建立上图所示的平面模型，然后在平板一段施加位移约束，另一端施加载荷，最后求解模型，用图形显示，即可得到实验结果。 L
四、ANSYS求解： 求解过程以b=0.5a=0.02为例： 1.建立工作平面，X-Y平面画长方形，L=1,B=0.1,a=0.02,b=0.5a=0.01;（操作流程：preprocessor→modeling→create→areas→rectangle） 2.根据椭圆方程，利用描点法画椭圆曲线，为了方便的获得更多的椭圆上的点，我们利用C++程序进行编程。程序语句如下： 运行结果如下：
本问题（b=0.5a=0.01）中，x在[0,0.02]上每隔0.002取一个点，y值对应于第一行结果。由点坐标可以画出这11个点，用reflect 命令关于y轴对称，然后一次光滑连接这21个点，再用直线连接两个端点，便得到封闭的半椭圆曲线。（操作流程：create→keypoints →on active CS→依次输入椭圆上各点坐标位置→reflect→create →splines through keypoints→creat→lines→得到封闭曲线）。3.由所得半椭圆曲线，生成半椭圆面。用reflect命令关于x轴对称（操作流程：create→areas by lines→reflect→得到两个对称的半椭圆面）。 4.用substract命令，将两个半椭圆面从长方形板上剪去（操作流程：preprocessor→modeling→create→Booleans→substract→areas.）。 5.定义单元类型和材料属性（preprocessor→element type→add→选solid Quad 4nodes 42，material props→material models→structural→liner→Elastic→isotropic→E=200GPa,μ=0.3）。
solidworks进行有限元分析的一般步骤说课材料
s o l i d w o r k s进行有限元分析的一般步骤
1.软件形式： ㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 ㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。 ㈢. 单独发行形式： ◆ COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2.使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要，
（即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。 ▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks 会自动地创建曲面几何体）。 ▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools →Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。 ◇右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料到所有”——所有零部件将被赋予相同的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下的某个具体零件文件夹并选择“应用材料到所有实体”——某个零件的所有实体(多实体)将被赋予指定的材料属性。
ansys有限元分析作业经典案例
有 限 元 分 析 作 业 作业名称 输气管道有限元建模分析 姓 名 陈腾飞 学 号 3070611062 班 级 07机制（2）班 宁波理工学院
题目描述： 输气管道的有限元建模与分析 计算分析模型如图1所示 承受内压：1.0e8 Pa R1=0.3 R2=0.5 管道材料参数：弹性模量E=200Gpa；泊松比v=0.26。 图1受均匀内压的输气管道计算分析模型（截面图） 题目分析： 由于管道沿长度方向的尺寸远远大于管道的直径，在计算过程中忽略管道的断面效应，认为在其方向上无应变产生。然后根据结构的对称性，只要分析其中1/4即可。此外，需注意分析过程中的单位统一。 操作步骤 1.定义工作文件名和工作标题 1.定义工作文件名。执行Utility Menu-File→Chang Jobname-3070611062，单击OK按钮。 2.定义工作标题。执行Utility Menu-File→Change Tile-chentengfei3070611062，单击OK按钮。 3.更改目录。执行Utility Menu-File→change the working directory –D/chen 2.定义单元类型和材料属性 1.设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural →OK
2.选择单元类型。执行ANSYS Main Menu→Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 8node 82 →apply Add/Edit/Delete →Add →select Solid Brick 8node 185 →OK Options…→select K3: Plane strain →OK→Close如图2所示，选择OK接受单元类型并关闭对话框。 图2 3.设置材料属性。执行Main Menu→Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic，在EX框中输入2e11，在PRXY框中输入0.26，如图3所示，选择OK并关闭对话框。 图3 3.创建几何模型 1. 选择ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入四个点的坐标：input:1(0.3,0),2(0.5,0),3(0,0.5),4(0,0.3) →OK
有限元法理论及应用参考答案分析
有限元法理论及应用大作业 1、试简要阐述有限元理论分析的基本步骤主要有哪些？ 答：有限元分析的主要步骤主要有： （1）结构的离散化，即单元的划分； （2）单元分析，包括选择位移模式、根据几何方程建立应变与位移的关系、根据虚功原理建立节点力与节点位移的关系，最后得到单元刚度方程； （3）等效节点载荷计算； （4）整体分析，建立整体刚度方程； （5）引入约束，求解整体平衡方程。 2、有限元网格划分的基本原则是什么？指出图示网格划分中不合理的地方。 题2图 答：一般选用三角形或四边形单元，在满足一定精度情况，尽可能少一些单元。 有限元划分网格的基本原则: 1.拓扑正确性原则。即单元间是靠单元顶点、或单元边、或单元面连接 2.几何保持原则。即网络划分后，单元的集合为原结构近似 3.特性一致原则。即材料相同，厚度相同 4.单元形状优良原则。单元边、角相差尽可能小 5.密度可控原则。即在保证一定精度的前提下，网格尽可能的稀疏一些。（a）(b)中节点没有有效的连接，且（b）中单元边差相差很大。 （c）中没有考虑对称性，单元边差很大。 3、分别指出图示平面结构划分为什么单元？有多少个节点？多少个自由度？
题3图 答：（a ）划分为杆单元， 8个节点，12个自由度。 （b ）划分为平面梁单元，8个节点，15个自由度。 （c ）平面四节点四边形单元，8个节点，13个自由度。 （d ）平面三角形单元，29个节点，38个自由度。 4、什么是等参数单元？。 答：如果坐标变换和位移插值采用相同的节点，并且单元的形状变换函数与位移插值的形函数一样，则称这种变换为等参变换，这样的单元称为等参单元。 5、在平面三节点三角形单元中，能否选取如下的位移模式，为什么？ (1). ?????++=++=2 65432 21),(),(y x y x v y x y x u αααααα (2). ?????++=++=2 65242 3221),(),(y xy x y x v y xy x y x u αααααα 答：（1）不能，因为位移函数要满足几何各向同性，即单元的位移分布不应与人为选取的 坐标方位有关，即位移函数中的坐标x,y 应该是能够互换的。所以位移多项式应按巴斯卡三角形来选择。 （2）不能，位移函数应该包括常数项和一次项。
有限元法分析过程
有限元法分析过程 有限元法分析过程大体可分为：前处理、分析、后处理三大步骤。 对实际的连续体经过离散化后就建立了有限元分析模型，这一过程是有限元的前处理过程。在这一阶段，要构造计算对象的几何模型，要划分有限元网格，要生成有限元分析的输入数据，这一步是有限元分析的关键。 有限元分析过程主要包括：单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求解约束方程等过程。这一过程是有限元分析的核心部分，有限元理论主要体现在这一过程中。 有限元法包括三类：有限元位移法、有限元力法、有限元混合法。 在有限元位移法中，选节点位移作为基本未知量； 在有限元力法中，选节点力作为未知量； 在有限元混合法中，选一部分基本未知量为节点位移，另一部分基本未知量为节点力。 有限元位移法计算过程的系统性、规律性强，特别适宜于编程求解。一般除板壳问题的有限元应用一定量的混合法外，其余全部采用有限元位移法。因此，一般不做特别声明，有限元法指的是有限元位移法。 有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理、编辑组织和图形表示三个方面。它可以把有限元分析得到的数据，进一步转换为设计人员直接需要的信息，如应力分布状态、结构变形状态等，并且绘成直观的图形，从而帮助设计人员迅速的评价和校核设计方案。 附：FELAC 2.0软件简介 FELAC 2.0采用自定义的有限元语言作为脚本代码语言，它可以使用户以一种类似于数学公式书写和推导的方式，非常自然和简单的表达待解问题的微分方程表达式和算法表达式，并由生成器解释产生完整的并行有限元计算C程序。 FELAC 2.0的目标是通过输入微分方程表达式和算法之后，就可以得到所有有限元计算的程序代码，包含串行程序和并行程序。该系统采用一种语言(有限元语言)和四种技术(对象技术、组件技术、公式库技术生成器技术)开发而成。并且基于FELAC 1.0的用户界面，新版本扩充了工作目录中右键编译功能、命令终端输入功能，并且丰