一维有限元法解常微分方程

()()()''2

1

1

'00Fu=-u +u=sin x 1+=f x y(0)0,(1)0F Fu=0Fu vdx=0v ,v(0)=v(1)=0v (x y C ππ?∈

??

==??

??∈? 一维问题的有限元法一.算法构思

考虑下面的两点边值问题

，（0，1) 设是一个微分算子，则

，即，且）连续

则把问题中的微分方程化为积分方程，得 ()1

1

11

1100

10011u 'v '+uvdx=fvdx

,u'v'+uvdx, (f,v)=fvdx

u C a(u v)=(f,v), v u 1=x ,h=.

n

n n u v C C x b δ-=∈?∈∈<=???? 令 a 则问题就是求，使得，对于一般的，其范围很广泛，但样条函数理论给我们提供了解决问题的有力工具。

对[0，1]进行等分：

0

n-1

i i i i=1k n-1

i j i j i=11

x-x ),x [x x h

x =,1,2,..., 1.

1-x-x x [x x h u(x)=u ,u u(x)x a(u v)=(f,v)a(u w)=(f,w),w x 1,2,..., 1.a u =f j=1,2n-1.

i k n x k n δδδδδ?∈??=-??∈???∈=-∑∑（，），，）

则其中是再处得函数值.

，，，即 ，（，），，..., ()()

()()δδδδδδδ

δδδ??????

????? ????? ???????????

１

１１

１ｎ－１１１ｎ－１ｎ－１ｎ－１ｎ－１ｎ－１ ｕ（ｆ，），，ＡＵ＝ｂ，其中Ａ＝，Ｕ＝，ｂ＝．，，ｕ（ｆ，）

()()()()()()()()()()()()()k+1

k-1k+1k k+1k-12x 2k k k

x 2x k k+1k k+1x 2x 2

k k k 112x 22h 2

=x dx+=+

h 3h

1h 1

=x x dx-=-h 6h

1+f =1+x sin x dx=2sin x -sin sin h k k x x δδδδδδδπδπδπππππ-+-???，，，

二，程序实现

clear; clc;

x=zeros(1,101); X=0.01:0.01:0.99;

h=0.01; c=0; for i=1:101 x(1,i)=c; c=c+h; end

y=sin(pi*x); b=zeros(1,99); A=zeros(99); A(1,1)=2*h^2/3+2/h; for n=1:98;

A(n+1,n+1)=2*h^2/3+2/h; A(n,n+1)=h^2/6-1/h; A(n+1,n)=h^2/6-1/h; end

for k=2:100

b(1,k-1)=(1+pi^2)/(pi^2*h)*(2*sin(pi*x(1,k))-sin(pi*x(1,k-1))-sin (pi*x(1,k+1))); end U=A\b'; plot(x,y) hold on

plot(X,U','r')

0.20.40.60.81 1.2 1.4

-0.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Matlab PDE工具箱有限元法求解偏微分方程

在科学技术各领域中，有很多问题都可以归结为偏微分方程问题。在物理专业得力学、热学、电学、光学、近代物理课程中都可遇见偏微分方程。 偏微分方程,再加上边界条件、初始条件构成得数学模型，只有在很特殊情况下才可求得解析解。随着计算机技术得发展,采用数值计算方法,可以得到其数值解。 偏微分方程基本形式 而以上得偏微分方程都能利用PDＥ工具箱求解。 ＰDE工具箱 ＰＤE工具箱得使用步骤体现了有限元法求解问题得基本思路,包括如下基本步骤： 1) 建立几何模型 2）定义边界条件 3) 定义ＰＤE类型与ＰＤE系数 ４）三角形网格划分 5) 有限元求解 ６）解得图形表达 以上步骤充分体现在ＰDE工具箱得菜单栏与工具栏顺序上，如下

具体实现如下。 打开工具箱 输入pdetool可以打开偏微分方程求解工具箱，如下 首先需要选择应用模式,工具箱根据实际问题得不同提供了很多应用模式，用户可以基于适当得模式进行建模与分析。 在Ｏpｔｉons菜单得Ａｐplicａｔｉoｎ菜单项下可以做选择,如下

或者直接在工具栏上选择，如下 列表框中各应用模式得意义为： ①Gｅｎｅric Scalaｒ：一般标量模式(为默认选项）。 ② GeneｒiｃSｙstｅm：一般系统模式. ③ Stｒucｔural Ｍecｈ、,Plane Streｓs：结构力学平面应力。 ④ Ｓtructurａl Meｃh、,Plane Sｔrain：结构力学平面应变。 ⑤Elｅctroｓtａtｉcｓ:静电学。 ⑥ Mａgnｅtｏｓtaｔiｃs：电磁学。

⑦Ａc Power Ｅｌecｔｒomagneｔics:交流电电磁学。 ⑧CｏnducｔｉvｅＭedｉa DＣ:直流导电介质。 ⑨ Heａｔ Traｎｆer：热传导。 ⑩ Ｄiｆｆｕsioｎ：扩散。 可以根据自己得具体问题做相应得选择，这里要求解偏微分方程，故使用默认值。此外，对于其她具体得工程应用模式，此工具箱已经发展到了ｓoｌMulｔiphｙsｉcｓ软件,它提供了更强大得建模、求解功能。 另外，可以在菜单Opｔioｎｓ下做一些全局得设置，如下 l Grｉd:显示网格 l Ｇrid Spacing…:控制网格得显示位置 l Sｎap：建模时捕捉网格节点，建模时可以打开 l Axeｓ Limｉts…：设置坐标系范围 ｌ Axes Equal:同Mａtlａｂ得命令ａxes eｑｕal命令 建立几何模型 使用菜单Ｄｒaw得命令或使用工具箱命令可以实现简单几何模型得建立，如下 各项代表得意义分别为 ｌ绘制矩形或方形； l 绘制同心矩形或方形；

《有限元》教学大纲

《有限元分析》课程教学大纲 【课程编号】XXXXX 【课程名称】有限元分析/ Finite Element Analysis 【课程性质】专业核心课 【学时】144学时【实验/上机学时】144学时 【考核方式】试卷考【开课单位】XX学院 【授课对象】本科、机械设计制造及其自动化学生 一、课程的性质、目的和任务 有限元法作为边值问题的近似计算方法，随着计算机和计算技术的迅猛发展，其应用已从固体力学发展到流体力学、热力学、电磁学、声学、光学、生物学等多耦合场问题。《有限元分析基础》是材料成型类专业的一门专业基础课，主要介绍固体力学有限单元法的基本理论和应用。在对有限单元法的原理、方法进行讲授的同时配以相应的计算算例及大型工程软件的使用示例，加深学生的理解和消化。 课程教学所要达到的目的是：1、有限单元法的基本理论和实施方法；2、掌握工程结构和设备的受力及变形分析技能并最终提高他们的工程设计能力和解决实际问题的能力； 3、利用ANSYS软件上机实践完成两个上机练习：刚架结构有限元分析和三维固体有限元分析； 4、掌握利用有限元的加权残值法求解场问题的概念，重点介绍1维和2维热传导问。 题有限元分析。 二、教学内容、基本要求和学、课时分配 第一章：ANSYS概论（13学时） （一）基本要求：了解有限元法的分析过程，ANSYS 15.0的安装与启动，前处理、加载并求解、后处理。 （二）教学内容和课时分配： 1、有限元法的分析过程，ANSYS 15.0的安装与启动（2学时） 2系统要求、设置运行参数（1学时）

3、A NSY分析的基本过程（1学时） 4、实验内容（9学时） 实验1梁的有限元建模与变形分析（1学时） 实验目的和要求： 1）要求选择不同形状的截面分别进行计算； 2）梁截面分别采用以下三种截面； 3）设置计算类型； 重点：有限元法的分析过程，ANSYS 15.0的安装与启动； 难点：ANSYS^析的基本过程； 第二章：图形用户界面（13学时） （一）基本要求：了解ANSY S^件界面下各窗口的功能，具体包括应用命令 菜单、主菜单、工具栏、输入窗口、图形窗口和输出窗口。ANSYS架构及命令，具体 包括简单模型的建立、材料属性输入、单元的选择和划分、求解处理和后置处理。 （二）教学内容和课时分配： 1、A NSYS 15.0图形用户界面的组成（1学时） 具体包括应用命令菜单、主菜单、工具栏、输入窗口、图形窗口和输出窗口。ANSYS 架构及命令，具体包括简单模型的建立、材料属性输入、单元的选择和划分、求解处理和后置处理2、对话框及其组件、通用菜单，输入窗口 2、主菜单，输出窗口，图形窗口的功能（1学时） 3、个性化界面（1学时） 4、实验内容（10学时） 实验1超静定桁架的有限元建模与分析 实验目的和要求：上机熟悉ANSY歎件的命令，并对简单的例题进行有限元静、动态分析。 重点（黑体，小四号字）：ANSYS 15.0图形用户界面的组成； 难点（黑体，小四号字）：主菜单，输出窗口，图形窗口的功能；

一维有限元法

实习三、一维问题的有限元方法 一）实习问题： 设 ''1 4(0,1) (0)0,(1)x u u xe x u u e e -?-+=-∈??==-??， ~ 1()u x e e u -=--令 将原问题的边界条件齐次化 ''~~ 1 ~~4()(0,1) (0)0,(1)0 x xe x e e x u u u u -?-+=---∈??? ?==， 二）算法描述： 1 ()21,1 01101 ()1,011 101 (),1 011 10(),111 [ ()()()]1[()()()()]1[()()()()]1 [ ()(i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i a p h h q h N d h a p h h q h N N d h a p h h q h N N d h a p h h q h h x x x x x x x x ξξξξξξξξξξξξξξξ------------=+++=- +++=- +++=+++???1 2010 )()()]N N d ξξξξ?1 ()2 1,1 0110 1[ ()()()]i i i i i i i i i a p h h q h N d h x x ξξξξ----=+++? 1 ()1 0101 ()110 ()()()()i i i i i i i i i i b h f h N d b h f h N d x x ξξξ ξξξ ---=+=+?? 1，单元剖分 (1,2,,)i i n e =L 2，i=1 ~ ~ 00A b == 3,计算数值积分：()()()()()()1,11,,1,1,,,,,i i i i i i i i i i i i i i i i a a a a b b -----即得单元上的i i A b 4，将i i A b 迭加到总的~~ A b 中 5，若i<=n,则i=i+1并转到底三步；否则继续下一步 6，根据边界条件调整~ ~ A b （掐头去尾），即得 A 和b 7，解线性方程组Au=b,得u 从而的h u

《有限元分析与应用课程标准》

《有限元分析及应用》课程标准 课程代码：汽车学分：3 建议课时数：64 英文名称： 适用专业：计算机辅助设计与分析 先修课程：《计算机辅助设计》 课程团队负责人及成员：陈良萍、刘宏强、王云、赵静、李蕾、黄艺、史俊玲、 毛新 1.课程定位和设计思路 1.1课程定位 本课程是为计算机辅助设计与分析专业本科生开设的一门专业核心课程，重点介绍有限元法的基本原理和方法、一些成熟的有限元软件功能和简单的分析步骤，同时结合工程实际，为他们进一步学习或实际应用及参加科研工作开辟道路。其任务是通过先修课程中所学知识的综合运用和新知识的获取，使学生初步掌握现代设计中的一种重要方法，开阔视野，提高能力，以适应科学技术发展的要求。 1.2设计思路 在教学中，首先通过力学中的矩阵位移法思想的对比教学，引出连续介质力学有限单元法的学习重点在于单元的插值函数如何构造。这因为，虽说矩阵位移法是对杆系结构而言的，但其结构的离散化和组建整体刚度方程的思想完全可以借鉴到连续介质力学，它们的不同点只是在单元刚度矩阵的建立；而不同单元类型的单元刚度矩阵的建立，又取决于对应单元插值函数的构造。这样处理，不但使学生抓住了本课程的教学重点，而且对有限单元法的整体思想有了宏观上掌握；起到主动学习而非被动接受的作用。在单元构造的教学中，理论学习的重点在于常规单元的介绍；通过常规单元介绍插值函数的完备性与收敛性等。接之，介绍高次单元、等参单元等教学内容。在理论教学中，强调数学论证的严谨性和工程应用的适应性。

结合工程实例教学，拓宽学生数值分析方面的应用能力在课内对不同的单元类 型进行介绍时，及时抓住不同单元在应用中的对比教学与其适用性，并结合工程实例介绍单元类型的合理选取和单元网格的合理划分等。为学生在实际问题的数值分析中如何选定单元和剖分单元奠定了一定的基础和经验。 2.工作任务和课程目标 2.1工作任务 由于采用有限单元法的分析计算软件大多已商业化，而熟悉应用这些中的常规软件也应是本门课程的主要教学内容。在课内学生学会使用软件建立分析模型的基本步骤，其中包括分析模型抽象、几何模型绘制、单元网格划分、材料定义、边界条件定义、方程求解方法等。因课内教学时数的不足，学生应利用课余时间学习，以提高对实际问题的数值分析能力。 2.2课程目标 从教学思想和方法上对原课程进行改革，使学生从较高层次上理解有限元方法的实质，掌握有限元分析的工具，并具备初步处理工程问题的能力;使该课程成为具有较宽口径和较大覆盖面的、面向计算机辅助设计方面的专业基础课；注意课程体 系的整体优化，强调课程的深度、广度与应用。 3.教学方针落实情况

有限差分法求解偏微分方程MATLAB教学教材

有限差分法求解偏微分方程M A T L A B

南京理工大学 课程考核论文 课程名称：高等数值分析 论文题目：有限差分法求解偏微分方程姓名：罗晨 学号： 115104000545 成绩： 有限差分法求解偏微分方程

一、主要内容 1.有限差分法求解偏微分方程，偏微分方程如一般形式的一维抛物线型方程： 22(,)()u u f x t t x αα??-=??其中为常数 具体求解的偏微分方程如下： 22001 (,0)sin()(0,)(1,)00 u u x t x u x x u t u t t π???-=≤≤?????? =??? ==≥??? 2.推导五种差分格式、截断误差并分析其稳定性； 3.编写MATLAB 程序实现五种差分格式对偏微分方程的求解及误差分析； 4.结论及完成本次实验报告的感想。 二、推导几种差分格式的过程： 有限差分法（finite-difference methods ）是一种数值方法通过有限个微分方程近似求导从而寻求微分方程的近似解。有限差分法的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；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。 推导差分方程的过程中需要用到的泰勒展开公式如下： ()2 100000000()()()()()()()......()(()) 1!2!! n n n f x f x f x f x f x x x x x x x o x x n +'''=+-+-++-+- (2-1) 求解区域的网格划分步长参数如下：

深入浅出的讲清楚有限元法

“有限元法基础及应用”补充讲义（一） 顾克秋 （2005年3月） 一、引子——弹簧单元与弹簧系统 目标：掌握离散结构直接刚度法分析的原理和形式。了解有限元位移法列式的形 式和基本概念。 1、典型弹簧单元分析 写成矩阵符号形式： ? =k F j i i j j ku ku u u k F f +-=-==)(? ?? ?????????--=??????j i j i u u k k k k f f 写成矩阵形式： kd f =（1-1） （1-2） （1-3） 1-2

式（1-2）、（1-3）为弹簧单元的刚度方程，反映了单元特性：节点力与节点位移之间的关系。式中： （注意：单元节点力是节点对单元的作用力） f d k ——单元节点力列阵 ——单元节点位移列阵 ——弹簧单元的刚度矩阵 弹簧单元刚度方程讨论： 1） 有何特点？ 对称、奇异、主对角元素恒正 2） 中元素代表什么含义？ 刚度系数大小等于弹簧刚度；每列元素代表一端固定、另一端产生单位 位移时加在弹簧单元上的节点力。 3）上面单元刚度方程可以求解吗？为什么？ 不可以。刚度方程仅仅表征一个典型单元的弹性特性，单元水平上无法确定单元节点位移。只有把系统中所有单元特性集成后，在系统水平上才可能求出所有未知位移和反力。单元水平上，若已知单元的节点位移，可由刚 度方程求出所有单元节点力分量。若节点力已知，单元节点位移不能确定， 单元可作刚体运动（小位移） 。这也是单元刚度矩阵奇异性的物理解释。 k k 2、弹簧系统整体分析原理

以右图的一个弹簧系统为例，研究如何由单元特性集成系统特性并建立对系统进行求解的控制方程。 由前面得到的弹簧单元的刚度方程公式（1-2），分别写出2个弹簧单元的特性方程如下： 单元1 单元2 （注：右端节点力分量的下标1，2为单元节点的局部编号，上标是单元号） 下面按两个方法完成系统特性的装配和控制方程的建立。并在特定条件下求解。 1）由节点平衡方程导出： 系统处于平衡时，考虑各节点（1，2，3节点）的平衡条件： 节点受到的外载荷与节点受到与其连接的所有单元对其作用力（单元节点力 的反作用力）之和等于零。因此有下列（节点）平衡方程（组）： 把单元特性（1-4），（1-5）代入（1-6）得到： 写成矩阵形式： 2 2 32 11 2211 1f F f f F f F =+==（1-4） （1-5） （1-6） 3 2223322211122 1111)(u k u k F u k u k k u k F u k u k F +-=-++-=-=（1-7） （1-8） 图 1-3

有限元法及应用---教学大纲

《有限元法及应用》教学大纲 课程代码：050142016 课程英文名称：Application of finite element method 课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0 适用专业：材料成型及控制工程 大纲编写（修订）时间：2017.07 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 （1）课程地位：本课程是材料成型及控制工程专业的专业基础课，必修。 （2）教学目标：掌握材料加工中的有限元法及应用的基础理论与实现方法；能够结合本专业知识进行材料加工中的有限元技术应用；具备初步分析和解决材料加工中的有限元法应用问题的能力。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 （1）知识方面的基本要求： 掌握现代材料加工有限元法的基本概念和建立有限元数学模型的过程与方法。了解有限元法在材料加工领域的各种典型应用。 掌握有限元法的基本概念、解题思路、求解步骤，MSC.MARC有限元分析软件在材料加工中的具体应用技术。了解平面问题与轴对称问题的基本理论。 （2）能力方面的基本要求 具备使用有限元法解决材料加工过程中实际问题的基本能力； 初步具备应用有限元技术分析和解决材料加工过程中各种工艺问题的能力； 具有利用本课程基本理论知识进行材料加工工程中的计算机模拟应用研发与进一步深入学习的能力。 （3）技能方面的基本要求 能够使用有限元软件进行材料加工过程模拟。 （三）实施说明 本教学大纲依据专业教学性指导性计划制定，指导教学环节。 理论教学环节： 教学以课堂讲授为主，多媒体辅助教学，加强基础知识、基本技能、创新意识的培养。结合材料加工领域中的实际案例讲解有限元技术及其在材料加工领域的各种典型应用。对课程中的重点、难点问题着重讲解。由于本课程既具有理论性又具有实践性，因此在教学过程中要注意理论联系实际，通过实例锻炼学生分析解决问题的能力。 采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；通过互动教学调动学生学习的主观能动性，培养学生的独立思考解决问题的能力。 引进与本课有关的发展前沿课题成果，让学生了解本学科的最新发展动态，扩大学生知识视野。 （四）对先修课的要求 在讲授本课前，学生应修完材料成型原理、计算机程序设计。本课程为毕业设计、创新创业训练等实践环节打下基础。 （五）对习题课、实验环节的要求

有限差分法求解偏微分方程MATLAB

南京理工大学 课程考核论文 课程名称：高等数值分析 论文题目：有限差分法求解偏微分方程姓名：罗晨 学号： 成绩： 有限差分法求解偏微分方程

一、主要内容 1.有限差分法求解偏微分方程，偏微分方程如一般形式的一维抛物线型方程： 22(,)()u u f x t t x αα??-=??其中为常数 具体求解的偏微分方程如下： 22001 (,0)sin()(0,)(1,)00 u u x t x u x x u t u t t π???-=≤≤?????? =??? ==≥??? 2.推导五种差分格式、截断误差并分析其稳定性； 3.编写MATLAB 程序实现五种差分格式对偏微分方程的求解及误差分析； 4.结论及完成本次实验报告的感想。 二、推导几种差分格式的过程： 有限差分法（finite-difference methods ）是一种数值方法通过有限个微分方程近似求导从而寻求微分方程的近似解。有限差分法的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；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。 推导差分方程的过程中需要用到的泰勒展开公式如下： ()2100000000()()()()()()()......()(()) 1!2!! n n n f x f x f x f x f x x x x x x x o x x n +'''=+-+-++-+- (2-1) 求解区域的网格划分步长参数如下：

偏微分方程求解-有限差分法解析

--以有限差分法为例偏微分方程数值求解 1. 偏微分方程求解问题的描述 教材P653[12.1.1]椭圆型 教材P653[12.1.2] 教材P664[12.2.1]双曲型 教材P665[12.2.4]拉普拉斯泊松 对流 波动 教材P684[12.3.1]抛物型 教材P685[12.3.6]扩散 对流扩散 教材P686[12.3.8]二维扩散 教材P678[12.2.23]二维对流

??????????????????????≥≤≤==≥≤≤==≤≤=>≥≤≤≤≤???? ????+??=??0,0, ),(),,(),(),0,(0,0,),(),,(),(),,0(,0,),()0,,(0,0 , 0 , 0 21212222t L x t x v t L x u t x v t x u t L y t y t y L u t y t y u L y x y x y x u b t L y L x y u x u b t u μμ?Ω 求解域初值条件边值条件) ,,(t y x u 未知函数

????? ? ????????????????????≥<<-==≥<<==≥≤≤-==≥≤≤==≤≤==≤≤≤≤≤≤???? ????+??=??0 , 50 , sin 255sin ),(),5,(0 , 50 , 0),(),0,(0 , 50 , 5sin sin 25),(),,5(0 , 50 , 0),(),,0(5,0,0),()0,,( 10000 , 50 , 50 001.022********t x x x t x v t x u t x t x v t x u t y y y t y t y u t y t y t y u y x y x y x u t y x y u x u t u μμ?Ω 求解域初值条件边值条件以具体问题为例演示具体的求解过程) ,,(t y x u 未知函数

《有限元》教学大纲

《有限元分析》课程教学大纲 【课程编号】××××× 【课程名称】有限元分析/ Finite Element Analysis 【课程性质】专业核心课 【学时】144学时【实验/上机学时】144学时 【考核方式】试卷考【开课单位】XX学院 【授课对象】本科、机械设计制造及其自动化学生 一、课程的性质、目的和任务 有限元法作为边值问题的近似计算方法，随着计算机和计算技术的迅猛发展，其应用已从固体力学发展到流体力学、热力学、电磁学、声学、光学、生物学等多耦合场问题。《有限元分析基础》是材料成型类专业的一门专业基础课，主要介绍固体力学有限单元法的基本理论和应用。在对有限单元法的原理、方法进行讲授的同时配以相应的计算算例及大型工程软件的使用示例，加深学生的理解和消化。 课程教学所要达到的目的是：1、有限单元法的基本理论和实施方法；2、掌握工程结构和设备的受力及变形分析技能并最终提高他们的工程设计能力和解决实际问题的能力；3、利用ANSYS软件上机实践完成两个上机练习：刚架结构有限元分析和三维固体有限元分析；4、掌握利用有限元的加权残值法求解场问题的概念，重点介绍1维和2维热传导问。 题有限元分析。 二、教学内容、基本要求和学、课时分配 第一章：ANSYS概论（13学时） （一）基本要求：了解有限元法的分析过程，ANSYS 15.0的安装与启动，前处理、加载并求解、后处理。 （二）教学内容和课时分配： 1、有限元法的分析过程，ANSYS 15.0的安装与启动（2学时）

2、系统要求、设置运行参数（1学时） 3、ANSYS分析的基本过程（1学时） 4、实验内容（9学时） 实验1 梁的有限元建模与变形分析（1学时） 实验目的和要求： 1)要求选择不同形状的截面分别进行计算； 2) 梁截面分别采用以下三种截面； 3) 设置计算类型； 重点：有限元法的分析过程，ANSYS 15.0的安装与启动； 难点：ANSYS分析的基本过程； 第二章：图形用户界面（13学时） （一）基本要求：了解ANSYS软件界面下各窗口的功能，具体包括应用命令菜单、主菜单、工具栏、输入窗口、图形窗口和输出窗口。ANSYS架构及命令，具体包括简单模型的建立、材料属性输入、单元的选择和划分、求解处理和后置处理。 （二）教学内容和课时分配： 1、ANSYS 15.0图形用户界面的组成（1学时） 具体包括应用命令菜单、主菜单、工具栏、输入窗口、图形窗口和输出窗口。ANSYS 架构及命令，具体包括简单模型的建立、材料属性输入、单元的选择和划分、求解处理和后置处理2、对话框及其组件、通用菜单，输入窗口 2、主菜单，输出窗口，图形窗口的功能（1学时） 3、个性化界面（1学时） 4、实验内容（10学时） 实验1 超静定桁架的有限元建模与分析 实验目的和要求：上机熟悉ANSYS软件的命令，并对简单的例题进行有限元静、动态分析。 重点（黑体，小四号字）：ANSYS 15.0图形用户界面的组成；

有限元分析 教学大纲

《有限元分析》课程教学大纲 一、课程的地位、目的和任务 本课程地位： 《有限元分析》课程是机械设计制造及其自动化专业的一门重要专业选修课。有限元分析方法是一种数值分析方法，在大型数值运算中得到广泛的应用。 本课程目的： 《有限元分析》课程在教学内容方面着重机械分析的基本知识、基本理论和基本方法的传授。在培养学生的设计能力方面着重设计构思和设计技能的基本训练。 本课程任务： 1.树立正确的设计思想和创新意识，了解本课程基本理论的创立、运用和发展； 2.了解国家当前的有关技术、经济政策，具有正确运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力； 二、本课程与其它课程的联系 本课程应在学完《画法几何与机械制图》、《理论力学》、《材料力学》课程等课程以后进行，可与《互换性与技术测量》课程同时开设。本课程学习结束后，为学生顺利进入后续专业课学习打下基础，本课程在机械类专业教学计划中起到承前启后的作用，是一门设计性的主干技术课程。在整个人才培养中有不可或缺的总要作用。 三、教学内容及要求 第一篇总论 第一章绪论 教学要求： （1）了解有限元研究的内容与方法； （2）初步理解其在解决固体力学与结构分析方面的问题，而且应用与传热学、流体力学、电磁学等领域的重要地位。 教学内容： 第一节机械结构设计与有限元分析的关系 （一）有限元方法的提出 （二）有限元方法的重要性 第二节用有限元分析方法解决一些工程上的问题 （一）有限元法在工程中的应用

第二章弹性力学的基本理论 教学要求： （1）重点掌握真实解释一个函数，基函数是一组函数，试探函数是某一类函数。教学内容： 第一节有限元相关的数学与力学的知识 （一）有限元数学方程 （二）有限元力学方程 第二节弹性力学变分原理 （一）弹性力学原理 （二）弹性力学的表达式 第三章连续体弹性问题的有限元分析原理 教学要求： （1）掌握该原理； （2）熟知几种常用的单元的节点参数、表达形式和使用范围。 教学内容： 第一节二维、三维建模的有限元分析技术 （一）二维建模有限元技术 （一）三维建模有限元技术 第二节连续体的离散过程 （一）连续体的离散过程 （二） 2D单元的构造 （三） 3D单元的构造 第四章软件使用及结构分析实例与应用教学要求： （1）掌握软件的使用方法，结构问问题的分析与过程； （2）能够应用软件进行一般的结构分析。 教学内容： 第一节分析方法 （一）掌握该种分析方法 （二）解决处理实际工程问题 第二节实践练习 （一）上机练习，尽快掌握分析的原理 第五章接触问题的有限元分析 教学要求： （1）掌握边界接触问题法人解决方法和分析思路。 教学内容： 第一节接触问题的分析方法

《有限元分析》课程教学大纲

《有限元分析》课程教学大纲 一、课程与任课教师基本信息 课程名称：有限元分析课程类别：必修课□选修课■ 学时学分：其中实验（实训、讨论等）学时： 授课时间：周三、节授课地点： 任课教师姓名：孟宪铸职称：副教授 所属院（系）：机械工程学院适用专业班级：机械设计本、班 联系电话： 答疑时间、地点与方式：课前、课后，教室，交流 二、课程简介 本本课程是机械设计制造及其自动化专业的学科选修课。它的教学目的和任务是使学生掌握有限元法基本原理，为进一步应用有限元法解决复杂的工程问题打下基础。 三、课程目标 结合专业培养目标，提出本课程要达到的目标。这些目标包括： 、知识与技能目标 了解有限元法的特点及利用有限元分析结构的基本步骤；理解杆、梁、板单元刚度矩阵的推导方法；理解常用非节点载荷的处理方法；学会将一般的工程问题归结为有限元力学模型的方法，并能上机计算。 、过程与方法目标 保留了传统教学手段“粉笔黑板模型”的合理内核，同时积极开发、利用多媒体资源，形成全方位的立体化的教学手段，从而达到“减压增趣”、“提智扩能”的教学目标。 、情感、态度与价值观发展目标 有限元分析属学科选修课。根据世纪教育教学改革“宽口径、厚基础、高素质、强能力”的原则，学生应有较好的素质结构、较全面的知识结构。有限元分析理论性强，与各类工程技术有着密切的联系，因此处理工程问题的能力是学习该课程学生的必备素质。学生应重视本课程在素质培养中的作用，本着对自己、对社会高度负责的态度搞好课程学习。体现在学习中，具体要做到：明确学习目标，端正学习态度，培养学习兴趣，认真完成每个学习环节。同时，积极落实人才培养计划，使自己成为出色的、受社会所欢迎的工程技术人才。 四、与前后课程的联系

有限元方法教学大纲

《有限元方法》教学大纲 课程英文名称：Finite Element Analysis 课程编号：008A3660 学时：12+12（实训）学分：1.5 一、课程教学对象 《有限元方法》课程在培养机械类、机电类、近机类工程技术人才的全局中，具有增强学生现代设计理论与分析方法的应用基础，提高学生对机械技术工作的适应性。本课程教学对象为五邑大学机电工程系机械工程及其自动化专业本科学生。 二、课程性质、目的和任务 有限元方法是一种现代设计方法。有限元方法应用于机械设计中，可以提高产品质量、降低产品成本，是一种具有重要经济意义和巨大潜力的先进技术。该课程为机械工程及其自动化专业本科学生的任选课。 本课程一般为机械类或相关专业的高年级学生的选修课，其目的是培养学生学会在机械设计中应用有限元新技术，掌握有限元方法的基本概念和基本理论，掌握有限元分析的基本处理方法，熟悉常用有限元分析软件在实际工程中的应用。 三、对先修课的要求 学生在学习本课之前，应先修课程：高等数学、线性代数、计算机文化基础、工程力学。 四、课程的主要内容、基本要求和学时分配建议（总学时数: 24包括课程讲授和学生上机辅导） 本课程对有限元方法的基本理论进行简要的说明，主要是针对现在有限元分析应用较广的PATRAN/NASTRAN有限元软件进行静力学分析和模态分析等方面的软件使用方法的训练。具体内容与要求如下： 第一章绪论 2学时 基本概念 1-2 有限元方法的普遍适用性（C） 1-3 有限元方法的发展概况及工程应用（C） 第二章有限元方法的一般步骤 4学时 2-1 物体的离散化（B） 2-2 位移插值函数（B） 2-3 平面问题有限元方法和程序（A） 2-4 边界条件（A）

MatlabPDE工具箱有限元法求解偏微分方程教学提纲

M a t l a b PDE工具箱有限元法求解偏微分 方程

在科学技术各领域中，有很多问题都可以归结为偏微分方程问题。在物理专业的力学、热学、电学、光学、近代物理课程中都可遇见偏微分方程。 偏微分方程，再加上边界条件、初始条件构成的数学模型，只有在很特殊情况下才可求得解析解。随着计算机技术的发展，采用数值计算方法，可以得到其数值解。 偏微分方程基本形式 而以上的偏微分方程都能利用PDE工具箱求解。 PDE工具箱 PDE工具箱的使用步骤体现了有限元法求解问题的基本思路，包括如下基本步骤： 1) 建立几何模型 2) 定义边界条件 3) 定义PDE类型和PDE系数 4) 三角形网格划分

5) 有限元求解 6) 解的图形表达 以上步骤充分体现在PDE工具箱的菜单栏和工具栏顺序上，如下 具体实现如下。 打开工具箱 输入pdetool可以打开偏微分方程求解工具箱，如下

首先需要选择应用模式，工具箱根据实际问题的不同提供了很多应用模式，用户可以基于适当的模式进行建模和分析。 在Options菜单的Application菜单项下可以做选择，如下 或者直接在工具栏上选择，如下 列表框中各应用模式的意义为： ① Generic Scalar：一般标量模式（为默认选项）。 ② Generic System：一般系统模式。 ③ Structural Mech.，Plane Stress：结构力学平面应力。

④ Structural Mech.，Plane Strain：结构力学平面应变。 ⑤ Electrostatics：静电学。 ⑥ Magnetostatics：电磁学。 ⑦ Ac Power Electromagnetics：交流电电磁学。 ⑧ Conductive Media DC：直流导电介质。 ⑨ Heat Tranfer：热传导。 ⑩ Diffusion：扩散。 可以根据自己的具体问题做相应的选择，这里要求解偏微分方程，故使用默认值。此外， 对于其他具体的工程应用模式，此工具箱已经发展到了Comsol Multiphysics软件，它提供了更强大的建模、求解功能。 另外，可以在菜单Options下做一些全局的设置，如下 l Grid：显示网格 l Grid Spacing…：控制网格的显示位置 l Snap：建模时捕捉网格节点，建模时可以打开 l Axes Limits…：设置坐标系范围 l Axes Equal：同Matlab的命令axes equal命令 建立几何模型 使用菜单Draw的命令或使用工具箱命令可以实现简单几何模型的建立，如下

有限差分法解偏微分方程

有限差分法解偏微分方程综述 绪论 有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。 有限差分方法(FDM)是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以Taylor 级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。 对于有限差分格式，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。 从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式。 考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。 目前常见的差分格式，主要是上述几种形式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。差分方法主要适用于有结构网格，网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。构造差分的方法有多种形式， 目前主要采用的是泰勒级数展开方法。其基本的差分表达式主要有三种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组合成不同的差分计算格式。 有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。 有限差分法求解偏微分方程 在采用数值计算方法求解偏微分方程时，若将每一处导数由有限差分近似公式替代，从而把求解偏微分方程的问题转换成求解代数方程的问题，即所谓的有限差分法。有限差分法求解偏微分方程的步骤如下： 1、区域离散化，即把所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格； 2、近似替代，即采用有限差分公式替代每一个格点的导数； 3、逼近求解。换而言之，这一过程可以看作是用一个插值多项式及其微分来代替偏微分方程的解的过程 有限差分法的应用 抛物型方程的差分方法 1. 简单差分法

有限元方法讲义

第1讲抛物问题有限元方法 1、椭圆问题有限元方法 考虑椭圆问题边值问题： （1） 问题（1）的变分形式：求使满足 （2） 的性质，广义解的正则性结果。 区域的剖分，矩形剖分，三角剖分，剖分规则，正则剖分条件，拟一致剖分条件。 剖分区域上分片次多项式构成的有限元空间。 的逼近性质，逆性质： 这里，为的插值逼近。 问题（2）的有限元近似：求使满足 （3） （3）的解唯一存在，且满足。 （3）的解所满足的矩阵方程（离散方程组）形式： （4） 刚度矩阵的由单元刚度矩阵组装而成。 模误差分析：由（2）－（3）可得 （5） 由（5）可首先得到 则得到 （6） －模误差分析 设满足 用与此方程做内积，由（5）式和插值逼近性质得到 再利用模误差估计结果，得到 （7） 最优阶误差估计和超收敛估计概念。 当与时间相关时（为抛物问题准备），由（5）式得 （8） 利用（7），类似分析可得 （9） 2、抛物问题半离散有限元方法 考虑抛物型方程初边值问题：

（10） （10）的变分形式：求使满足 （11） （11）的半离散有限元近似：求使满足 （12） 令，代入（12），依次取可导出常微分方程组： （13） 其中为质量矩阵，K为刚度矩阵。。 求解常微分方程组（13），得到代回的表达式，即得半离散有限元解。 定理1.问题（12）的解唯一存在且满足稳定性估计： （14） 证明：在（12）中取得到 整理为（注意是正定的） 对此式积分，证毕。 误差分析。引进解的椭圆投影逼近：满足 （15） 根据椭圆问题的有限元结果可知 （16） 分解误差： 的估计由（16）式给出，只须估计。 由（11），（12）和（15）知，满足 取，类似稳定性论证可得 （17） 可取为的投影，插值逼近等。 由（17）式，三角不等式和（16），得到 （18） 3、抛物问题全离散有限元近似 剖分时间区间：。 引进差分算子： 规定，当为连续函数时，，则有 由此得到 （19） （20） 定义问题（11）的全离散向后Euler有限元近似：求，使满足 （21） 将代入（21）可导出全离散方程组 （22）

有限元分析基础教案(武汉理工)

有限元分析基础 第一章有限元法概述 在机械设计中，人们常常运用材料力学、结构力学等理论知识分析机械零构件的强度、刚度和稳定性问题。但对一些复杂的零构件，这种分析常常就必须对其受力状态和边界条件进行简化。否则力学分析将无法进行。但这种简化的处理常常导致计算结果与实际相差甚远，有时甚至失去了分析的意义。所以过去设计经验和类比占有较大比重。因为这个原因，人们也常常在设计中选择较大的安全系数。如此也就造成所设计的机械结构整体尺寸和重量偏大，而局部薄弱环节强度和刚度又不足的设计缺陷。 近年来，数值计算机在工程分析上的成功运用，产生了一门全新、高效的工程计算分析学科——有限元分析方法。该方法彻底改变了传统工程分析中的做法。使计算精度和计算领域大大改善。 §1.1 有限元方法的发展历史、现状和将来 一，历史 有限元法的起源应追溯到上世纪40年代（20世纪40年代）。1943年R.Courant从数学的角度提出了有限元法的基本观点。50年代中期在对飞机结构的分析中，诞生了结构分析的矩阵方法。1960年R.W.Clough在分析弹性力学平面问题时引入了“Finite Element Method”这一术语，从而标志着有限元法的思想在力学分析中的广泛推广。 60、70年代计算机技术的发展，极大地促进了有限元法的发展。具体表现在： 1）由弹性力学的平面问题扩展到空间、板壳问题。 2）由静力平衡问题——稳定性和动力学分析问题。 3）由弹性问题——弹塑性、粘弹性等问题。 二，现状 现在有限元分析法的应用领域已经由开始时的固体力学，扩展到流体力学、传热学和电磁力学等多个传统的领域。已经形成了一种非常成熟的数值分析计算方法。大型的商业化有限元分析软件也是层出不穷，如： SAP系列的代表SAP2000（Structure Analysis Program） 美国安世软件公司的ANSYS大型综合有限元分析软件 美国航天航空局的NASTRAN系列软件 除此以外，还有MASTER、ALGO、ABIQUES、ADINA、COSMOS等。 三，将来 有限元的发展方向最终将和CAD的发展相结合。运用“四个化”可以概括其今后的发展趋势。那就是：可视化、集成化、自动化和网络化。 §1.2 有限元法的特点 机械零构件的受力分析方法总体说来分为解析法和数值法两大类。如大家学过的材料力学、结构力学等就是经典的解析力学分析方法。在这些解析力学方法中，弹性力学的分析方法在数学理论上是最为严谨的一种分析方法。 其解题思路是：从静力、几何和物理三个方面综合考虑，建立描述弹性体的平衡、应力、应变和位移三者之间的微分方程，然后考虑边界条件，从而求出微分方程的解析解。其最大的有点就是，严密精确。缺点就是微分方程的求解困难，很多情况下，无法求解。 数值方法是一种近似的计算方法。具体又分为“有限差分法”和“有限元法”。 “有限差分法”是将得到的微分方程离散成近似的差分方程。通过对一系列离散的差分方程求解，得到最终的力学问题近似解。其优点就是：计算简单收敛性好。缺点是：计算程

有限差分法求解偏微分方程

有限差分法求解偏微分方程 摘要：本文主要使用有限差分法求解计算力学中的系统数学模型，推导了有限差分法的理论基础，并在此基础上给出了部分有限差分法求解偏微分方程的算例验证了推导的正确性及操作可行性。 关键词：计算力学，偏微分方程，有限差分法 Abstract：This dissertation mainly focuses on solving the mathematic model of computation mechanics with finite-difference method. The theoretical basis of finite-difference is derived in the second part of the dissertation, and then I use MATLAB to program the algorithms to solve some partial differential equations to confirm the correctness of the derivation and the feasibility of the method. Key words：Computation Mechanics, Partial Differential Equations, Finite-Difference Method

1 引言 机械系统设计常常需要从力学观点进行结构设计以及结构分析，而这些分析的前提就是建立工程问题的数学模型。通过对机械系统应用自然的基本定律和原理得到带有相关边界条件和初始条件的微分积分方程，这些微分积分方程构成了系统的数学模型。 求解这些数学模型的方法大致分为解析法和数值法两种，而解析法的局限性众所周知，当系统的边界条件和受载情况复杂一点，往往求不出问题的解析解或近似解。另一方面，计算机技术的发展使得计算更精确、更迅速。因此，对于绝大多数工程问题，研究其数值解法更具有实用价值。对于微分方程而言，主要分为差分法和积分法两种，本论文主要讨论差分法。 2 有限差分法理论基础 2.1 有限差分法的基本思想 当系统的数学模型建立后，我们面对的主要问题就是微分积分方程的求解。基本思想是用离散的只含有限个未知量的差分方程组去近似地代替连续变量的微分方程和定解条件，并把差分方程组的解作为微分方程定解问题的近似解。将原方程及边界条件中的微分用差分来近似，对于方程中的积分用求和或及机械求积公式来近似代替，从而把原微分积分方程和边界条件转化成差分方程组。有限差分法求解偏微分方程的步骤主要有以下几步： ?区域离散，即把所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格， 这些离散点称作网格的节点； ?近似替代，即采用有限差分公式替代每一个格点的导数； ?逼近求解，换而言之，这一过程可以看作是用一个插值多项式及其微分来代 替偏微分方程的解的过程。 从原则上说，这种方法仍然可以达到任意满意的计算精度。因为方程的连续数值解可以通过减小独立变量离散取值的间格，或者通过离散点上的函数值进行插值计算来近似得到。理论上，当网格步长趋近于零时，差分方程组的解应该收敛于精确解，但由于机器字节的限制，网格步长不可能也没有必要取得无限小，