边界元与有限元
边界元与有限元
边界元法boundary element method
定义：将力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解的数值方法。
所属学科：水利科技(一级学科) ；工程力学、工程结构、建筑材料(二级学科) ；工程力学（水利）(三级学科)
边界元法（boundary element method）是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元,用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少,数据准备简单等优点.但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。
简介
边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方法。又称边界积分方程-边界元法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，由于降低了问题的维数，而显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数，而具有解析与数值相结合的特点，通常具有较高的精度。特别是对于边界变量变化梯度较大的问题，如应力集中问题，或边界变量出现奇异性的裂纹问题，边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件，因而边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。边界元法的主要缺点是它的应用范围以存在相应微分算子的基本解为前提，对于非均匀介质等问题难以应用，故其适用范围远不如有限元法广泛，
而且通常由它建立的求解代数方程组的系数阵是非对称满阵，对解题规模产生较大限制。对一般的非线性问题，由于在方程中会出现域内积分项，从而部分抵消了边界元法只要离散边界的优点。
边界元法的基础
边界元法是基于控制微分方程的基本解来建立相应的边界积分方程，再结合边界的剖分而得到的离散算式。Jaswon和Symm于1963年用间接边界元法求解了位势问题；Rizzo[3]于1967年用直接边界元法求解了二维线弹性问题；Cruse[4]于1969年将此法推广到三维弹性力学问题。1978年，Brebbia用加权余量法推导出了边界积分方程，他指出加权余量法是最普遍的数值方法，如果以Kelvin解作为加权函数，从加权余量法中导出的将是边界积分方程——边界元法，从而初步形成了边界元法的理论体系，标志着边界元法进入系统性研究时期。
边界元法的发展
经过近40年的研究和发展，边界元法已经成为一种精确高效的工程数值分析方法。在数学方面，不仅在一定程度上克服了由于积分奇异性造成的困难，同时又对收敛性、误差分析以及各种不同的边界元法形式进行了统一的数学分析，为边界元法的可行性和可靠性提供了理论基础。在方法与应用方面，现在，边界元法已应用到工程和科学的很多领域，对线性问题，边界元法的应用已经规范化；对非线性问题，其方法亦趋于成熟。在软件应用方面，边界元法应用软件已由原来的解决单一问题的计算程序向具有前后处理功能、可以解决多种问题的边界元法程序包发展。我国约在1978年开始进行边界元法的研究，目前，我国的学者在求解各种问题的边界元法的研究方面做了很多的工作，并且发展了相应的计算软件，有些已经应用于工程实际问题，并收到了良好的效果。
有限单元法
有限单元法，是一种有效解决数学问题的解题方法。其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。
简介
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。在河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数，伽辽金(Galerkin)法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取N个配置点。令近似解在选定的N 个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值，称为拉格朗日(Lagrange)多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特(Hermite)多项式插值。单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维
看作长度比，二维看作面积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有Lagrange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。
其基本思路和解题步骤
(1)建立积分方程，
根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。
(2)区域单元剖分，
根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。
(3)确定单元基函数，
根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单元中选取的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。
(4)单元分析：
将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数(即单元中各节点的参数值)的代数方程组，称为单元有限元方程。
(5)总体合成：
在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程按一定法则进行累加，形成总体有限元方程。
(6)边界条件的处理：
一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件(狄里克雷边界条件 )、自然边界条件(黎曼边界条件)、混合边界条件(柯西边界条件)。对于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件和混合边界条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。
(7)解有限元方程：
根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待定未知量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数值。
有限元
有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
简介Finite Element
有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。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，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：
1）物体离散化
将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。
2）单元特性分析
A、选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。
B、分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。
C、计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。
3）单元组集
利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程（1-1）式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。
4）求解未知节点位移
解有限元方程式（1-1）得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是"一分一合"，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。
有限元的发展概况1943年 courant在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究St.Venant的扭转问题。1960年 clough的平面弹性论文中用“有限元法”这个名称。1965年冯康发表了论文“基于变分原理的差分格式”，这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。1970年随着计算机和软件的发展，有限元发展起来。涉及的内容：有限元所依据的理论，单元的划分原则，形状函数的选取及协调性。有限元法涉及：数值计算方法及其误差、收敛性和稳定性。应用范围：固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学求解的情况：杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性（线性和非线性）、弹塑性或塑性问题（包括静力和动力问题）。能求解各类场分布问题（流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题），水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。
有限元法
有限元法英文名称：finite element method
定义：一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法。
所属学科：水利科技(一级学科) ；工程力学、工程结构、建筑材料(二级学科) ；工程力学（水利）(三级学科)
有限元法（finite element method）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。基本思想：由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。
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。有限单元法最早可上溯到20世纪40年代。Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了"有限单元法"，使人们认识到它的功效。我国著名力学家，教育家徐芝纶院士（河海大学教授）首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。
派生
从有限元的基本方法派生出来的方法很多，则称为三维单元。如有限条法、边界元法、杂交元法、非协调元法和拟协调元法等，用以解决特殊的问题。
有限元分析
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
简介
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起
能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
特点
有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。
步骤
对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中
包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。
简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。
常用软件
大型通用有限元商业软件：NASTRAN,ASKA,SAP,ANSYS,MARC,ABAQUS,JIFEX 等。
有限单元法是当前工程技术领域中最常用最有效的数值计算方法，本书共有7章，依次介绍了有限单元法的理论基础、杆系结构单元、平面三角形单元、平面四边形等参数单元，并对有限元线性方程组的求解方法进行了介绍。为了增强本书的实用性，最后用一章的篇幅介绍了在使用有限元时的相关注意问题。
本书可作为岩土工程、采矿工程、工程力学、机械工程、水利工程等工科专业硕士研究生和本科生教材，也可供从事相关专业工程人员参考。目录1 绪论
1.1 概述
1.2 有限元法的分析过程
1.3 有限元法的发展历程
1.4 习题
2 有限单元法理论基础
2.1 有限元原理与变分原理的关系2.2 弹性力学基本方程
2.2.1 平衡方程
2.2.2几何方程
2.2.3物理方程
2.3 虚功原理
2.3.1虚位移
2.3.2外力虚功与内力虚功
2.3.3实功与虚功
2.3.4虚应变能
2.3.5虚功原理
2.4 位移模式与形函数
2.4.1位移模式
2.4.2 形函数
2.5 刚度与刚度矩阵
2.6 习题
3 杆系结构单元
3.1 引言
3.2 简单杆系结构有限元分析
3.3 平面杆单元刚度矩阵
3.4 整体坐标系下的单元刚度矩阵3.5 结构的结点平衡方程
3.6 算例分析及程序
3.6.1 算例分析
3.6.2总框图及程序
3.7 习题
4 平面三角形单元
4.1 简单三角形单元的位移模式
4.1.1位移模式与形函数
4.1.2 位移函数的收敛条件
4.2 应变矩阵、应力矩阵与单元刚度矩阵4.2.1单元应变，应变矩阵
4.2.2应力矩阵
4.2.3 单元刚度矩阵
4.2.4 单元刚度矩阵的性质
4.3 等效结点载荷
4.3.1 集中力的移置
4.3.2 体力的移置
4.3.3面力的移置
4.3.4线性位移模式下的载荷移置
4.4 整体分析
4.4.1总体刚度方程
4.4.2总体刚度矩阵的性质
4.5 位移边界条件的处理
4.5.1 对角元素改1法
4.5.2乘大数法
4.5.3降阶法
4.6 计算步骤与算例分析
4.6.1求解过程及步骤
4.6.2 算例分析
4.7 计算成果的整理
4.7.1绕结点平均法
4.7.2 两单元平均法
4.8 平面问题高次单元
……
5 平面四边形等参数单元
6 线性方程组的解法
7 划分单元网格的注意事项
主要符号表
参考文献
韩厚德教授是国内有限元领域的知名专家，在有限元方法、无限元方法、边界元方法及无界区域上偏微分方程的数值解等领域中取得了一系列重要研究成果
有限差分法虽然历史久远，但由于理论比较完整，在目前的教科书中仍占有重要地位。它直接从微分方程出发，将求解区域划分成网格，近似地用差分、差商代替微分、微商，于是无限自由度的问题化成了有限自由度的问题。这种方法在解决规则边界的问题时极为方便，但也正是由于这种限制而增加了它的局限性，即对于非规则边界的问题适用性较差。
有限元法的重要归化途径是从微分方程所对应的泛函出发，用变分原理结合区域剖分得到离散算式--代数方程组。它克服了有限差分法对区域形状的限制，对于各种形状的边界都能灵活处理，有限元法是目前工程计算的主要手段，这种方法的主要困难有两个：一是要找出微分方程对应的变分式，二是由于区域的剖分随着网格的加细而使方程组的维数增大，尽管使用电子计算机仍不能达到快速、精确的要求。工程师们正在期待着新一代计算方法的出现。
目录:
第一章边界元方法基础
1. 1 定解问题
1. 2 加权余量法
1. 3 变分法概述
1. 4 位势问题的加权余量法
1. 5 Dirac- 函数
1. 6 基本解
1. 7 积分方程
1. 8 边界积分方程
1. 9 格林公式及其应用
1. 10 广义傅里叶展开
1. 11 特征函数及基本解
1. 12 积分的算术化
1. 13 二重积分的离散计算
第二章位势问题的边界元方法
2. 1 积分方程的离散
2. 2 边界积分的计算
2. 3 一维数值积分
2. 4 多表面问题与无穷域问题
2. 5 泊松方程
2. 6 二维数值积分
2. 7 线性单元
2. 8 高次单元
2. 9 角点问题
第三章流体力学的边界元方法
3. 1 流体力学基本方程组
3. 2 不可压粘性流体定常运动的边界元方法3. 3 二维粘性流动的内流问题
3. 4 多体内流问题
3. 5 二维低雷诺数无界粘性绕流问题
3. 6 三维粘性流动的内流问题
3. 7 三维无界粘性绕流问题
3. 8 非线性问题
3. 9 用边界元方法对润滑问题的研究
3. 10 生物力学中片流问题
3. 11 正交各向异性问题
3. 12 变系数渗流场问题
第四章弹性问题的边界元方法
4. 1 张量符号
4. 2 弹性力学的基本方程
4. 3 平面问题
4. 4 平面问题的基本解
4. 5 弹性问题的加权余量法
4. 6 积分方程
4. 7 边界积分方程
4. 8 积分方程的离散
4. 9 边界积分的计算
4. 10 应力
4. 11 三维问题的基本解, 开尔文问题
4. 12 三维问题的基本公式
第五章边界元方法在工程中的应用
5. 1 亥姆霍兹方程
5. 2 电磁问题
5. 3 弹性柱体的扭转
5. 4 梁的弯曲
5. 5 非齐次亥姆霍兹方程
5. 6 变系数非齐次亥姆霍兹方程
5. 7 热弹性问题
5. 8 区域划分法
5. 9 边界元与有限元的耦合
5. 10 具有线性算子非线性问题的边界元计算5. 11 非线性问题示例
5. 12 非线性扩散问题的迭代法
5. 13 复数域上的耦合方法
参考文献
求解偏微分方程边值问题、初边值问题的边界元方法的数学理论及数值算法，系统地介绍了把几种常见的数学物理方程的边值或初边值问题转化为边界积分方程求解的各种途径，以及离散化求解边界积分方程的数值计算方法，包括配点法、Galerkin方法、基于边界积分方程的无网络算法等。书中简要论述了必备的泛函分析及微分算子基础知识，着重论证了在带权的Sobolev空间中利用与边界积分方程等价的变分形式来分析边界元近似解的收敛性和估计误差的方法。
有限差分法虽然历史久远，但由于理论比较完整，在目前的教科书中仍占有重要地位。它直接从微分方程出发，将求解区域划分成网格，近似地用差分、差商代替微分、微商，于是无限自由度的问题化成了有限自由度的问题。这种方法在解决规则边界的问题时极为方便，但也正是由于这种限制而增加了它的局限性，即对于非规则边界的问题适用性较差。
有限元法的重要归化途径是从微分方程所对应的泛函出发，用变分原理结合区域剖分得到离散算式--代数方程组。它克服了有限差分法对区域形状的限制，对于各种形状的边界都能灵活处理，有限元法是目前工程计算的主要手段，这种方法的主要困难有两个：一是要找出微分方程对应的变分式，二是由于区域的剖分随着网格的加细而使方程组的维数增大，尽管使用电子计算机仍不能达到快速、精确的要求。工程师们正在期待着新一代计算方法的出现。
目录:
第一章边界元方法基础
1. 1 定解问题
1. 2 加权余量法
1. 3 变分法概述
1. 4 位势问题的加权余量法
1. 5 Dirac- 函数
1. 6 基本解
1. 7 积分方程
1. 8 边界积分方程
1. 9 格林公式及其应用
1. 10 广义傅里叶展开
1. 11 特征函数及基本解
1. 12 积分的算术化
1. 13 二重积分的离散计算
第二章位势问题的边界元方法
2. 1 积分方程的离散
2. 2 边界积分的计算
2. 3 一维数值积分
2. 4 多表面问题与无穷域问题
2. 5 泊松方程
2. 6 二维数值积分
2. 7 线性单元
2. 8 高次单元
2. 9 角点问题
第三章流体力学的边界元方法
3. 1 流体力学基本方程组
3. 2 不可压粘性流体定常运动的边界元方法3. 3 二维粘性流动的内流问题
3. 4 多体内流问题
3. 5 二维低雷诺数无界粘性绕流问题
3. 6 三维粘性流动的内流问题
3. 7 三维无界粘性绕流问题
3. 8 非线性问题
3. 9 用边界元方法对润滑问题的研究
3. 10 生物力学中片流问题
3. 11 正交各向异性问题
3. 12 变系数渗流场问题
第四章弹性问题的边界元方法
4. 1 张量符号
4. 2 弹性力学的基本方程
4. 3 平面问题
4. 4 平面问题的基本解
4. 5 弹性问题的加权余量法
4. 6 积分方程
4. 7 边界积分方程
4. 8 积分方程的离散
4. 9 边界积分的计算
4. 10 应力
4. 11 三维问题的基本解, 开尔文问题
4. 12 三维问题的基本公式
第五章边界元方法在工程中的应用
5. 1 亥姆霍兹方程
5. 2 电磁问题
5. 3 弹性柱体的扭转
5. 4 梁的弯曲
5. 5 非齐次亥姆霍兹方程
5. 6 变系数非齐次亥姆霍兹方程
5. 7 热弹性问题
5. 8 区域划分法
5. 9 边界元与有限元的耦合
5. 10 具有线性算子非线性问题的边界元计算5. 11 非线性问题示例
5. 12 非线性扩散问题的迭代法
5. 13 复数域上的耦合方法参考文献
基于有限元和边界元的噪声分析
half 重登录 隐身 控制面板 搜索 状态 展区 振动博客 论坛服务 退出 振动论坛 → 专题讨论区→ 噪声分析及控制→声学基础理论→[转帖]基于有限元和边界元的噪声 分析 复制本页地址 粘贴我的收件箱 (0) 您 是本帖的第42个阅读者 标题：[转帖]基于有限元和边界元的噪声 分析树形 打印 收藏 推荐 提交网摘 等级：本科生 威望：18 现金：308 经验：1107 魅力：627 文章：109 注册： 2005-07-24 活跃度： 活跃等级：①年迈乌龟 在线等级： van321 ▼楼主 物体受到激励后，必将会产生振动，由物体的振动而引起与之相接触的流体的振动（如空气），从而在流体中产生噪声。对流体的噪声分析可以在频率域内或者时间域内进行，可以采用流体与结构耦合的形式进行分析，也可以只采用流体的形式进行计算分析，可以计算内声场也可以计算外声场，例如对于汽车而言，可以计算内声场，也可以计算外声场。在低频范围内采用边界元或者有限元的方法，在高频内采用统计能量的方法，计算结果包括声场中任意一点处的声学响应，如声压、声强、声功率，还可以是某点处的响应函数，如声压函数、模态贡献量函数，还可以进行一些特殊的分析，如声学传递矢量分析、面板贡 献量分析和灵敏*分析，以及高频域内的统计 能量分析。 如图所示是某轿车的排气系统的有限元声学模型，图所示是该排气系统中消声器的声学 模型。 [转帖]基于有限元和边界元的噪声分析
排气系统的声学模型
消声器的声学模型 ?声学模态分析 声学模态类似于结构模态，声波在流体团中传播时，会引发流体的振荡，流体的振荡也是有一定的固有频率和振动样式（振型），通过声学模态计算可以计算出流体的声学共振频率，防止流体和流体周围的结构产生共振而引发共鸣。 图所示是排气系统的声学模态云纹图。
有限元边界条件和载荷
X边界条件和载荷 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。垂直于此区域的力称为压力。
边界元与有限元
边界元与有限元 边界元法boundary element method 定义：将力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解的数值方法。 所属学科：水利科技(一级学科) ；工程力学、工程结构、建筑材料(二级学科) ；工程力学（水利）(三级学科) 边界元法（boundary element method）是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元,用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少,数据准备简单等优点.但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。 简介 边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方法。又称边界积分方程-边界元法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，由于降低了问题的维数，而显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数，而具有解析与数值相结合的特点，通常具有较高的精度。特别是对于边界变量变化梯度较大的问题，如应力集中问题，或边界变量出现奇异性的裂纹问题，边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件，因而边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。边界元法的主要缺点是它的应用范围以存在相应微分算子的基本解为前提，对于非均匀介质等问题难以应用，故其适用范围远不如有限元法广泛，
内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究
内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究 * 孙 军 汪景峰 桂长林 (合肥工业大学机械与汽车工程学院 合肥 230009) 摘 要:有限元方法已经成为内燃机零部件应力和变形计算的主要手段,但是目前在内燃机零部件有限元分析中采用的边界条件是否合理,有无必要采用更符合实际的边界条件?本文以曲轴为例,模拟实际 状况,采用不同的边界条件进行了有限元计算。计算结果表明,边界条件处理对曲轴有限元分析结果影响很大。因此,为了提高内燃机零部件有限元计算结果的精度,非常有必要根据实际情况确定边界条件。 关键词:边界条件 有限元 内燃机中图分类号:TK412.4 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2005)03-0006-03 Study on Boundary Condition in Finite Ele ment Calculation for Parts of Internal Co mbustion Engi ne Sun Jun ,W ang Jingfeng ,Gui Changlin H efeiUn i v ersity of Techno l o gy (H efei 230009) Abst ract :The fi n ite ele m ent m et h od has beco m e the m a i n m eans to calcu late t h e stress and de f o r m ation o f parts for inter na l co m bustion engine .Bu,t whether the boundary conditi o ns used i n FE ana l y sis on parts o f i n -ter nal co m busti o n eng ine are reasonable ?Is it necessary to use the boundary condition ,wh ich ism ore adapta -b le to the facts ?As an exa m p le ,the crankshaft is ca lculated by FE usi n g d ifferent boundary conditi o ns that si m ulate factual conditi o ns .The resu lts sho w t h at the boundary conditi o ns have i m portant effects on the results of FE analysis o f crankshaf.t Therefo re ,it is necessary to choose boundary cond itions acco r d i n g to factua l con -d iti o n i n o r der to i m prove the prec isi o n of calcu l a ti n g resu lts for parts o f i n ternal co m bustion eng i n e .K eyw ords :Boundary conditi o n ,F i n ite ele m en,t I C eng i n e 前言 随着有限元计算技术的进步,有限元方法目前已 经成为内燃机零部件应力和变形计算的主要手段。内燃机零部件的有限元分析,类似于其他问题的有限元分析,边界条件的处理是否合理直接影响计算结果的精确性。本文以曲轴为例,分析目前采用的边界条件是否合理,有无必要采用更符合实际的边界条件。 目前在曲轴有限元计算中,载荷边界条件的处理(重点是作用在轴颈表面的力处理)基本采用的是定 型模式,其假设作用在轴颈上的载荷(其与曲轴轴承油膜压力对应)为分布载荷,沿轴线方向均布或呈抛物线分布,沿圆周方向呈余弦分布 [1~4] 。这种处理方 法简单易行,但其属于较理想的状况,因为实际曲轴轴承的油膜压力分布规律复杂,且随时间变化。沿轴向抛物线型的油膜压力分布规律仅适合于无限短且轴颈轴线与轴承孔中心线平行的滑动轴承,实际的曲轴轴承为有限长轴承,且由于受到诸多因素的影响,如载荷作用下轴的变形、轴承的制造与装配误差和轴的热变形 * 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175023) 作者简介:孙军(1960-),男,硕士,研究方向,内燃机现代设计理论与方法。 第34卷 第3期2005年6月小型内燃机与摩托车 S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLE Vo.l 34No .3 June .2005
有限元法与有限差分法的主要区别
有限元法与有限差分法的主要区别 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。在河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数，伽辽金(Galerkin)法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取N个配置点。令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值，称为拉格朗日(Lagrange)多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特(Hermite)多项式插值。单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作面积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有La grange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为(1)建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。(2)区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。(3)确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插
IDESA有限元分析_第6篇第26章 基于几何施加边界条件
第26章MasterFEM 教程:定义边界条件 前面的教程简单介绍了仿真分析的流程。本篇将介绍更多高级定义边界条件的内容（载荷和约束）。 用户将学会: ?创建约束和约束集。 ?创建载荷和载荷集。 ?创建边界条件集。 ?解算定义以上边界条件的模型。 ?创建均布载荷。 ?解算定义以上边界条件的模型。 ?比较不同工况下的结果。 开始前必备知识： 熟悉MasterFEM界面和创建零件。 熟悉在模型文件中管理零件。 熟悉拉伸特征和旋转特征的布尔运算。 熟悉仿真分析流程。 熟悉自由网格划分。 设置1/3 如果还没有运行一个新的模型文件,创建一个新文件并命名。 ·1·
·2· File Open 打开模型文件菜单 确信用户是在以下工作状态和任务当中 : 设置工作单位为毫米(mm) Options Units 设置2/3 工作内容：按照以下尺寸草绘封闭形状的图形。 提示 : 为什么：这个零件代表了典型机构连杆的应力集中部位。
工作内容: 命名零件 提示： 命名菜单 设置3/3 工作内容：创建一个和零件关联的有限元模型（FEM1）。 提示 保存模型文件。 File Save 警告！ 如果软件提示用户保存模型文件，用户应选择：No 记住：只有教程中提示保存模型文件，而不是软件提示保存的时候，用户才可以执行保存文件操作。 为什么： 在上一次保存以后的错误操作不能撤销恢复,用户可以选择重新打开文件，恢复到上一次保存时的状态。 提示： ·3·
重新打开模型文件的快捷键：按Control-Z。 创建约束和约束集1/3 工作内容：全约束以下高亮表面。 怎样做： 表面上定义约束的菜单 OK 创建约束和约束集2/3 注意事项： 会产生约束符号。 在几何边缘、表面、顶点的约束用不同的颜色和符号表示。 ·4·
有限元、边界元、无网格法的比较
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。
对有限元法 有限差分法 边界元法和模拟电荷法的粗略总结
对有限元法、有限差分法、边界元法和模拟电荷法的粗略总结: 有限元法（finite element method）：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。缺点是有限元必须同时对所有域内节点和边界节点联立求解，待求未知数多，要求解的方程规模大，导致输入数据多，计算的准备工作量大。 有限差分法（finite difference method）：直接从微分方程出发，将求解区域划分为网格，近似地用差分、差商代替微分、微商，于是无限度的问题化成有限自由度的问题。这种方法在解决规则边界的问题时极为方便，但是正是由于这种限制而增加了它的局限性，即对于非规则边界的问题适用性较差。 边界元法（boundary element method）：边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，由于降低了问题的维数，而显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数，而具有解析与数值相结合的特点，通常具有较高的精度。特别是对于边界变量变化梯度较大的问题，如应力集中问题，或边界变量出现奇异性的裂纹问题，边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件，因而边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。边界元法的主要缺点是它的应用范围以存在相应微分算子的基本解为前提，对于非均匀介质等问题难以应用，故其适用范围远不如有限元法广泛，而且通常由它建立的求解代数方程组的系数阵是非对称满阵，对解题规模产生较大限制。对一般的非线性问题，由于在方程中会出现域内积分项，从而部分抵消了边界元法只要离散边界的优点。 模拟电荷法（charge simulation method）：在实际工程计算中，电极表面上连续分布的束缚电荷的分布情况是未知的，不能直接由给定的边界条件解出。如果在计算场域之外设置n个被称为模拟电荷的离散电荷来等效代替这些待求的连续电荷分布，则根据等值替代前后条件不变的前提条件，即可求得各模拟电荷的量值，从而使场域内任意一点的电位与场强便可由各模拟电荷所产生的场量叠加而获得，以此作为原场的逼近解。相比较于有限元法和有限差分法，模拟电荷法的优点是无需封边、使计算问题的维数降低一维、能直接求解出场域内的任意点的场强、计算精度高。
有限元边界元习题2010
有限元部分 1.什么是单元的协调性和完备性要求？为什么要满足这些要求？平面问题三角形单元如何满足这些要求？矩形4节点平面单元呢？ 2.对于平面3节点三角形单元，如果在单元内假定位移模式为 22 12322456αααααα?=++?=++? u x xy y v x xy y 试讨论此时单元的形状函数矩阵、单元刚度矩阵以及这种单元的特征。 3.就平面梁单元而言，在刚体位移的状态下，讨论刚度矩阵的性质。 4.一般情况下，有限元方法总是过高计算了结构的刚度，因而求得的位移小于真实解，为什么？如果单元不满足协调性要求，情况如何？为什么？ 5.证明：单元的常应力项或常应变项是保证收敛性的前提条件。 6.对于弹性结构，若给定的荷载列阵为{}P ，对应的位移列阵为{}d ，则势能泛函中的外力 功为{}{}T P d ，但静力加载过程中做的功为1 {}{}2T P d ，为什么？ 7.证明：单元的刚度矩阵是半正定的。 8.证明面积坐标与直角坐标满足下列转换关系 =++??=++? i i j j k k i i j j k k x x L x L x L y y L y L y L 9.证明二维平行四边形单元的Jacobi 矩阵是常数矩阵。 10.为什么虚位移原理可适用于线性与非线性问题，而最小势能原理只适用于线弹性问题？ 11.用最小势能原理推导单元刚度矩阵。 12.如图3个三角形单元，画出完整多项式各项的Pascal 三角形。 13.证明常应变三角形单元形函数N j 在j 、k 边界上的值与i 节点坐标无关。 14.证明常应变三角形单元发生刚体位移时，不会在单元内产生应力。 15.证明常应变四面体单元是完备协调元。 16.证明常应变四面体单元是等参元。 17.证明常应变三角形单元形函数满足1=∑i i N 。 18.导出矩阵[]ij H 、[]ij G ()=i j 中元素H 12和G 11的表达式。 19.推证格林公式。 20.试由,,()0λ+++=i ij j ii j G u Gu b ，写出其直角坐标表达式。 21.试由弹性力学平面应变问题的应力基本解，写出沿坐标原点y 方向有单位集中力作用时应力分量的直角坐标表达式。
有限元在传热学中的应用
有限元在传热学中的应用 ——温度场的有限元分析 摘要：热分析在许多工程应用中扮演着重要角色。有限元法是热分析中常用，高效的数值 分析方法。利用有限元法可以求解传热学中温度场的重要参数，在材料成型中，在铸造这一块有着重大意义。 1、有限元法的应用： 有限元法是随着电子计算机的发展迅速发展起来的一种现代计算方法，首先在连续力学领域——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，随后也很广泛用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。在传热学中，如果导热物体的几何形状不规则，边界条件复杂，很难有解析解。解决这类问题的最好办法就是数值解法，而数值解法中最具实用性和使用最广泛的就是有限单元法。 2、有限元数值解法的基本思路： 将连续求解区域减走势只在节点处相连接的一组有限个单元的组合体，把节点温度作为基本未知量，然后用插值函数以节点温度表示单元内任意一点处温度，利用变分原理建立用以求解节点未知量（温度）是有限元法方程，通过求解这些方程组，得到求解区域内有限个离散点上的温度近似解，并以这些温度近似解代替实际物体内连续的温度分布。随着单元数目的增加，单元尺寸的减少。单元满足收敛要求。近似解就可收敛于精确解。 3、有限元数值解法的基本步骤 有限元法在工程实际中应用的广泛性和通用性，体现在分析许多工程问题是，如力学中的位移场和应力场分析，传热学中的温度场分析，流体力学中的流场分析，都可以归结为给定边界条件下求解其控制方程的问题，虽然各个问题中的物理性质不同，却可采用同样的步骤求解。具体步骤为（1）：结构离散。（2）：单元分析。（3）：整体分析。（4）：边界条件处理与求解。（5）：结果后处理。 有限元分析实际问题的主要步骤为：建立模型，推倒有限元方程式，求解有限元方程组，数值结果表述。 4、用于传热学的意义 有限元法作为具有严密理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，近年来，以由弹性平面问题扩展到空间问题，板壳问题。从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；它在工程技术中的作用，已从分析和校核扩展到优化设计。并和计算机辅助设计相结合，形成了完整的计算机辅助设计系统。它解决了传热学中边界条件复杂或呈非线性，有均匀内热源等传统方法无法求解的问题。 温度场方程
有限元法有限差分法有限体积法的区别
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。在河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数，伽辽金(Galerkin)法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取N个配置点。令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值
有限元边界条件和载荷_图文(精)
X 边界条件和载荷 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。垂直于此区域的力称为压力。
有限元、边界元、有限差分法的区别
有限元法、边界元法、有限差分法的区别和各自的优点 请问：有限元法、边界元法、有限差分法等方法有哪些区别和各自的优点？尤其是在声学方面。 谢谢！ 网格的跑分上不同,差分要求模型规则,有限元可以是任意不规则模型, FEM: irregular grid-> easy to describe complex shape, hard in mesh generation \.a4hj FDM: regular mesh -> easy in grid generation, hard to describe complex shape=> less accurate than FEM BEM: irregular mesh in boundary -> mesh generation much easier than that of FEM. need much less computation resource than the above two. BUT need basic solution (Green function) at the boundary. 对于这个基础问题一定要搞清楚，不然有限元就无从谈起。 有限元法的优点是适应性强,自由边界条件自动满足,但是不适合计算大尺度,对于透射边界需单独处理,单 元太多的模型,计算速度慢i7g c1T `w5v 边界元法的优点是域内二维问题化成了边界一维问题来处理,自动满足透射边界,但是构造G函数非常麻烦有限差分法适合大尺度(如地震波),方法简单,计算速度快,但是边界处理太麻烦. :) :( :D :'( [quote]原帖由[i]jonewore[/i] 于2007-10-1 20:31 发表 [url=https://www.360docs.net/doc/4218511872.html,/forum/redirect.php?goto=findpost&pid=1152036&ptid=7785 04][img]https://www.360docs.net/doc/4218511872.html,/forum/images/common/back.gif[/img][/url]
有限元法求解问题的基本步骤
有限元法求解问题的基本步骤 1. 结构离散化 对整个结构进行离散化，将其分割成若干个单元，单元间彼此通过节点相连; 2. 求出各单元的刚度矩阵[K](e) [K](e)是由单元节点位移量{Q}(e)求单元节点力向量{F}(e)的转移矩阵，其关系式为：{F}(e)= [K](e) { O}(e); 3. 集成总体刚度矩阵[K]并写出总体平衡方程 总体刚度矩阵[K]是由整体节点位移向量{①}求整体节点力向量的转移矩阵，其关系式为{F}= [K] {①}，此即为总体平衡方程。 4. 引入支撑条件，求出各节点的位移 节点的支撑条件有两种：一种是节点n沿某个方向的位移为零，另一种是节点n沿某个方 向的位移为一给定值。
5. 求出各单元内的应力和应变 对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为： (1)建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。 ⑵区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连 接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大， 除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。 (3)确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插值条件 的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单元中选取的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。 (4)单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近；再将近 似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数(即单元中各节点的参
流体力学有限元分析中的边界条件处理
流体力学有限元分析中的边界条件处理 梁启国 尹敏镐 赵永凯 高殿荣 燕山大学 大庆石化总厂 摘 要 阐述了流体力学有限元分析中应用流函数 - 涡量法时典型边界条件的处理方 法 ,并给出计算实例 . 关键词 有限元 涡 - 流函数法 边界条件 分类号 O357 . 1 引言 求解不可压缩粘性流体二维流动问题的数值方法有速度 - 压力法 、涡 - 流函数法和流函数法 ,其中涡 - 流函数法应用较广1 ～4 . 在应用涡 - 流函数法进行有限元分析时 ,数值边界条件的处理不但影响解的精度而且影响解的稳定性2 . 本文结合工程实际给出了在有限元分析中确定几种典型边界条件的方法. 0 边界条件的处理 如图 1 所示的沿背部台阶的不可压缩粘性流 体二维流动. C 点为角点. 在涡 - 流函数方程的求解过程中 , 不仅需要 知道边界上的流函数和涡量值 ,有时还要对边界 上的涡量值不断地进行修正. 下面分别讨论各种 边界上的流函数值和涡量值. 设Δ x 和Δy 分别为 x 方向和 y 方向的有限元划分网格间距 , i 和 j 分别 为 x 方向和 y 方向的步长指标. 1) 壁面边界处理 若壁面是不可渗透的 ,则沿壁面的流函数 Ψ 为常数. 一阶精度的壁涡公式为 : 1 图 1 沿背部台阶的边界条件 2 (Ψ i , j - Ψ i , j +1 ) Ωi , j c c + O (Δy ) ( 1) = (Δy ) 2 c 二阶精度的壁涡公式为 : 3 (Ψ i , j - Ψ i , j +1 ) Ωi , j + 1 + O ( (Δy ) 2 ) Ωi , j c c c ( 2) = (Δy ) 2 2 c 图 2 用内点上的 Ψ i , j +1 , Ωi , j +1 表示边界上的涡量值 . 二阶壁涡公 c c 式在大网格雷诺数和变网格情况下往往引起数值不稳定和计算不收敛 ; 一阶壁涡公式虽
有限元法边界条件的处理
有限元法边界条件的处理 边界上的节点通常有两种情况， 1. 一种边界上的节点可自由变形，此时节点上的载荷等于0，或者节点上作用某种外载荷，可以令该点的节点载荷等于规定的载荷Q。这种情况的处理是比较简单的。 2. 另一种边界上的节点，规定了节点位移的数值。这种情况下，有两种方法可以处理： * 划0置1法 * 置大数法 划0置1法是精确的方法，置大数法则是近似的方法。下面分别介绍这两种方法 置大数法 假设v自由度的位移已知为b(b可以为0或者其他任意值)。 1. 将v自由度相应对角线上的刚度系数k(v,v) 换成一个极大的数，例如可以换成k(v,v)*1E8 k(v,v) ---> k(v,v) * 1E8 2. 将v自由度相应节点载荷F(v) 换成F(v) * 1E8 * b F(v) ---> F(v) * 1E8 * b 3. 其余均保留不变，求出的 v =~ b 此方法的处理只需要修改两个数值即可，简单方便，虽然求得的是近似值，但一般仍然推荐使用。 置大数法来源于约束变分原理，本质和罚函数是一样的，得到的都是一个非精确值，施加起来在程序实现上相对简单，但是过大的大数可能引起线性方程的病态，造成在某些求解方法下无法求解，过小的大数有可能引起计算的误差，因此大数的选择也算是一个优化的过程吧，因此如果位移边界条件为0的话，主1副0的方法通用性更好吧 而位移非零的情况下，还有一种类似主1副0的方法可以采用吧，不过程序处理相对麻烦一点，我一下也没找到，你不妨找找看 这是在不增加方程个数的情况下的处理方式，拉格朗日乘子法好像也可以处理边界条件，但是会增加方程的个数，所以大家一般都不太用来着，拉格朗日乘子法和罚函数法的原理可以看一下王勖成写的那本有限元，如果英文好，不放看看监克维奇的那本英文的《finite element method》
有限元法与边界元法ppt
有限元法与边界元法
武汉大学水利水电学院 赵 昕
1
5.1 加权余量法
设有微分方程
L(u) = f （在区域Ω中）
解u也应该满足积分方程 ∫ [L(u) ? f ]δudΩ = 0 Ω
——加权余量法的出发点
δu类似于虚位移，是一个满足一定边界条件的任意的变分函数。 在给定u值的边界Γ1上，δu的边界条件取为0。
3
∫ ∑ ∑ Ω
? ? ??
L????
n
α
j =1
jφ j
????
?
f
???? ???
n i =1
βiWi
??dΩ ?
=
0
δu是满足 得
δu Γ1
=0
的任意函数，不妨取某个βi =1，其余的β为0
∫ ∑ Ω
? ? ??
L????
n
α jφj
j =1
???? ?
f
? ?Wi dΩ ??
=
0
（i = 1，……，n）
——加权余量法的基本关系式（一个求解系数αj的代数方程组）
n
∑ 线性微分方程→ 线性代数方程组： aij α j = bi （i = 1，……，n） j =1
∫ ( ) aij = Wi L φ j dΩ Ω 5
∫ bi = Wi f dΩ Ω
有限元法
有限单元法（Finite Element Method），简称有限元法（FEM）:将流 动区域分为许多三角形、矩形或曲边形等各种形状的单元。
优点：适应边界形状不规则的区域，便于处理自然边界条件，比较适合 求解椭圆型方程和扩散方程的数值解。
计算程序虽然比较复杂，但比较标准规范，便于使用。
有限元方法的理论基础：变分原理或加权余量法——将微分方程的求 解变成求积分方程的近似解的问题，避开微分方程求解的困难，对近 似解的可微性要求也可以降低。所以下面介绍加权余量法。
2
假设一个满足第一类边界条件的近似解
∑ u~ = n α j φ j j =1
其中φ
j
(j
=1,…，n)为一组事先选取的线性无关的基函数，
αj为相应的待定系数。
不满足原微分方程，形成的误差称为余量 ε = L(u~) ? f
欲使加权后的ε在区域Ω中在平均意义下为零
∫ εδudΩ = ∫[L(u~) ? f ]δudΩ = 0
Ω
Ω
n
∑ 可取权因子 δu = βiWi i =1
Wi(i =1,…，n)是一组线性无关的基函数（权函数）。
4
选择权函数Wi ： （1）`取Wi ≡ 1，→有限体积法。
（2）最小二乘法。取
∫ ∫ ∫ ? < ε, ε >= ? ε2dΩ = ?ε2 dΩ =2 ε ?ε dΩ =0
?α i
?α i Ω
Ω ?αi
Ω ?αi
相当于
Wi
=
?ε ?α i
= L(φi )
（3）伽辽金法，取 Wi=φi 则
∫ ∑ ? n
?
?L( α j φ j ) ? f ?φi dΩ = 0
?Ω
j =1
?
( ) n
∑ α j ∫ φi L φ j dΩ = ∫ φi f dΩ
j =1 Ω
Ω
6
输电线舞动的有限元分析及边界条件_图文(精)
第 14卷第 2期 重庆电力高等专科学校学报 2009年 6月 Vol . 14 No . 2 Journal of Chongqing Electric Power College Jun . 2009 输电线舞动的有限元分析及边界条件 陈仁全 1, 2 , 张占龙 1, 丁明亮 2, 王勇 1, 2 (1. 重庆大学电气工程学院 , 重庆 400030; 2. 重庆电力高等专科学校 , 重庆400053 【摘要】以有限个梁单元模拟输电导线状态 , 采用最小位能原理推导出有限元方程 , 最后利用强制边界条件给出单元位移和应力方程 , 并运用仿真系统进行模态和谐响应分析。其结果可为以后线路优化设计提供依据。【关键词】舞动 ; 有限单元法 ; 风荷载 ; 仿真 【中图分类号】 T M726. 3【文献标识码】 A 【文章编号】 100828032(2009 022*******
收稿日期 :2008211226 作者简介 :陈仁全 (1971- , 讲师 , 研究方向 :输电线路的运行、检修和设计。1输电线模型的有限元格式 2节点的梁单元是有限元方法中较早提出 , 并 且至今仍广泛应用的单元 , 拟仿真的应用极为广泛 , , 精确。 1. 1典型的 2节点平面梁单元 , 编码为 i, j 的位移 分量如图 1所示 。 图 1平面梁单元
在有限元方法中 , 单元的位移模式或称为位移函数一般采用多项式作为近似函数 , 因为多项式运算简单 , 并且随着项数的增多 , 可以逼近任何一段光滑的函数曲线 , 多项式的选取采用由低次到高次。 用节点位移表示梁单元的位移模式 , 轴向位移 的位移模式取的线性函数 , 而挠度则 V 用三次多项式表示 , 即 : u =[h (x ]{a} (1 v =[H (x ]{b}(2 {和 {, 可以。 i x , 、节点挠 {u}=[u i u j ] T (3 {v}=[v i θi v j θj ]T (4 将节点坐标带入式 (1 和 (2 , 节点坐标可以 表示为 : {u}=[Ai ]{a} (5 {v}=[A2]{b} (6 于是得到用节点位移表示的位移模式并改成矩阵形式 : {f}= Hu (x Hv (x [A]{δ}