科学计算中的有限元slides.12
有限元原理及步骤
有限元原理及步骤嘿，咱今儿就来说说这有限元原理及步骤。
你可别小瞧了它，这玩意儿就像是搭积木，只不过搭的是超级复杂的知识积木！有限元原理呢，简单来说，就是把一个超级大的、复杂得让人头疼的东西，分成好多好多小块儿。
这就好比一个巨大的拼图，咱把它拆成一小片一小片的，这样不就好研究多啦！那具体咋分呢？这可得讲究技巧啦！就好像切蛋糕一样，要切得均匀，切得恰到好处。
每一小块都有它自己的特点和作用，它们组合起来就能还原出那个原本复杂的大家伙。
接下来就是步骤啦！第一步，得先想好怎么分，这可不能瞎来，得有计划有策略。
然后呢，给每一小块儿都建立模型，就像是给它们穿上特定的衣服，让它们有自己的身份和特点。
再之后啊，就是分析这些小块儿啦！看看它们各自有啥本事，有啥问题。
这就好像给每个小块儿做体检一样，得了解清楚它们的状况。
分析完了，还得把这些小块儿的信息汇总起来，这可不是简单地加在一起就行哦！得像拼图一样，严丝合缝地拼起来，才能得到一个完整的结果。
你说这是不是很神奇？就通过这么一步步的操作，就能把一个复杂得让人摸不着头脑的东西给搞清楚啦！想象一下，如果没有有限元原理和步骤，那面对那些超级复杂的工程问题、科学难题，我们岂不是要抓瞎啦？有了它，就好像有了一把万能钥匙，能打开好多知识的大门。
咱再打个比方，有限元原理就像是一个超级大厨，能把各种食材巧妙地组合在一起，做出一道美味佳肴。
而步骤呢，就是那一道道烹饪的工序，少了哪一步都不行。
这有限元原理和步骤，在好多领域都大显身手呢！建筑设计啦，机械制造啦，航空航天啦，到处都有它的身影。
它能让我们的设计更合理，让我们的制造更精确，让我们的科技更发达。
所以说啊，可别小看了这有限元原理及步骤，它可是我们探索知识海洋的重要工具呢！学会了它，就好像掌握了一门神奇的魔法，能让我们在科技的世界里自由翱翔！你还在等什么呢，赶紧去深入了解一下吧！。
有限元分析 ppt课件
课程目标
1) 了解什么是有限单元法、有限单元法的基本 思想。
2) 学习有限单元法的原理，主要结合弹性力学 问题来介绍有限单元法的基本方法，包括单 元分析、整体分析、载荷与约束处理、等参 单元等概念。
3) 初步学会使用商用有限元软件分析简单工程 问题。
4. O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor. The finite element method( 5th ed). Oxford ; Boston : Butterworth-Heinemann, 2000
5. 郭和德编. 有限单元法概论，清华大学， 1998
1 有限单元法简介
自重作用下等截面直杆的材料力学解答
N(x)q(Lx)
d(L x)N(x)d xq(Lx)dx EA EA
u(x)xN(x)d xq(L xx2)
0 EA EA 2
x
du q (Lx) dx EA
x
Ex
q(Lx) A
自重作用下等截面直杆的有限单元法 解答
1）离散化 如图所示，将直杆划分 成n个有限段，有限段之 间通过一个铰接点连接。 称两段之间的连接点为 结点，称每个有限段为 单元。 第 i 个 单 元 的 长 度 为 Li ， 包含第i，i+1个结点。
1.3.1网格划分
对弹性体进行必要的简化，再将弹性体 划分为有限个单元组成的离散体。 单元之间通过单元节点相连接。 由单元、结点、结点连线构成的集合称 为网格。
1.3.1网格划分
通常把三维实体划分成四面体（Tetrahedron） 或六面体（Hexahedron）单元的网格
四面体4结点单元
六面体8结点单元
有限元数值计算
有限元数值计算
有限元数值计算是一种重要的数值计算方法，广泛应用于工程、计算机科学、物理学等领域。
它是一种能够将实际工程问题离散成有限个小元素，再求解每个小元素的行为，最终得出全局解的方法。
有限元数值计算的基本思路是将复杂的实际工程问题分解成一个个小的有限元素，每个有限元素都由一个数学模型来描述其行为。
通过求解每个有限元素的行为，再将其组合起来，得到整个工程系统的行为。
这种方法的好处是简便易行，能够解决复杂的非线性问题，还能够得到高精度的结果。
有限元数值计算的应用非常广泛。
在建筑工程中，它可以帮助工程师分析某一结构的载荷下的应力和变形情况，进而设计出更为精确和安全的结构。
在机械工程中，它可以帮助机械师计算机械零件受力后的变形情况和应力分布，进而为精准制造提供基础数据。
在计算机科学中，它可以帮助计算机科学家分析某一软件中的各项性能指标，进而为改善软件编程提供基础依据。
有限元数值计算在应用过程中，需要选择合适的计算模型和计算参数，才能得到正确可靠的结果。
虽然公共软件包已经为用户提供了相应的模型和参数，但是为了确保计算结果的精度，工程师和科学家还需要根据具体情况进行合理的调整。
总之，有限元数值计算是一种非常有用的计算方法，它可以帮助工程师和科学家解决复杂的实际问题，提高计算质量和准确度，有着
广泛的应用前景。
对于开展此方面研究和应用的人员，需要掌握良好的数值计算基础和实践操作技能，而且需要不断更新自己的知识和技能。
有限元的基本原理
有限元的基本原理
有限元方法是一种数值计算方法，常用于求解工程问题中的连续介质力学问题。
其基本原理是将复杂的连续介质分割成有限数量的简单几何形状的子域，称为有限元，然后利用数学方法和计算机技术对每个有限元进行离散化处理。
基于有限元原理，我们可以得到以下步骤：
1. 离散化：将连续的物理问题离散化为有限个由节点和单元组成的网格，在每个单元上选择适当的方程形式。
2. 建立本构方程：根据材料的力学性质，建立适当的本构关系表达式，将其转化为数学方程。
3. 单元形函数：在每个有限元上选择适当的单元形函数，将物理问题转换为离散问题。
4. 求解：对离散化后的方程进行求解，得到节点的未知位移。
5. 后处理：根据得到的位移信息，计算相应的应力和应变，以及其他感兴趣的物理量。
有限元方法的精度和收敛性与网格的划分有关，更精细的网格可以得到更准确的结果，但也会增加计算量。
因此，有限元方法是一个权衡计算效率和精度的方法。
有限元方法广泛应用于结构力学、流体力学、电磁场等领域的
建模和仿真中，可以有效地分析和解决各种工程问题。
其应用范围涉及机械、航空航天、汽车、建筑、电子等多个工程领域，为工程设计和优化提供了有力的工具。
《有限元基础》课件
有限元方法可以应用于各种物理问题和工程领域 ，如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等。
高效性
有限元方法采用分块逼近的方式，将整体问题分 解为多个子问题，从而大大降低了问题的规模和 复杂度，提高了计算效率。
精度可控制
通过选择足够小的离散元尺寸和足够多的元数目 ，可以控制求解的精度，使得结果更加精确可靠 。
有限元方法对初值和边界条件 的选取比较敏感，不同的初值 和边界条件可能导致截然不同 的结果。
高阶偏微分方程的离散化 困难
对于一些高阶偏微分方程，有 限元方法的离散化过程可能会 变得相当复杂和困难。
有限元方法的发展趋势
并行化和高性能计算
随着计算机技术的发展，有限元方法的计算效率和精度得到了极大的提高。未来，随着并行化和高性能计算技术的进 一步发展，有限元方法的计算效率将会得到进一步提升。
02
有限元的数学基础
线性代数基础知识
向量与矩阵
介绍向量的基本概念、向量的运算、矩阵的表示和基 本运算。
线性方程组
阐述线性方程组的基本概念、解法以及在有限元分析 中的应用。
特征值与特征向量
介绍特征值和特征向量的概念、计算方法以及在有限 元分析中的应用。
变分法基础知识
变分法的基本概念
阐述变分法的基本思想、定义和定理，以及在 有限元分析中的作用。
弱收敛与弱*收敛
03
介绍弱收敛和弱*收敛的概念、性质以及在有限元分析中的应用
。
03
有限元方法的基本步骤
问题的离散化
总结词
将连续的问题离散化，将连续体划分为有限个小的单元，每个单元称为有限元 。
详细描述
在有限元方法中，首先需要对实际问题进行离散化，即将连续的问题划分为有 限个小的单元，每个单元称为有限元。离散化的目的是将连续的物理量近似为 离散的数值，以便进行数值计算。
科学计算中的有限元slides.21.5
Question: What is the appropriate test space here?
/ Wolfgang Bangerth
Laplace equation
Laplace equation with non-zero boundary values:
● ●
Strong conditions Natural conditions
Force conditions ● Tractions conditions ● … Question: What do they all mean, where do they enter the picture, and how do we deal with them?
J ( u )≤ J ( u +ε v ) ∀ u +ε v ∈ V g
●
Since u = g on ∂ Ω we need v =0 on ∂ Ω so that u +ε v ∈V g
Wolfgang Bangerth
/
Laplace equation
/
Wolfgang Bangerth
General considerations
There are many kinds of boundary conditions: ● Dirichlet conditions ● Neumann conditions ● Robin conditions
●
For differentiable J the optimality condition is:
J ' ( u )( v )= lim ε→ 0 J ( u +ε v )−J ( u ) =(∇ v , ∇ u )−( v , f )=0 ε ∀v
有限元基本概念ppt课件
i1
i1
其中： Hi( xj )δij H'i(xj )0
'
Hi( xj )0 Hi( xj )δij
1 i j δij 0 i j
眼睛是心灵的窗户，是人体中最宝贵 的感觉 器官， 可很多 孩子对 眼睛的 重要性 不重视 。在每 学期的 视力测 查中情 况都不 容乐观
经推导：
n
n
P 2 n - 1 ( x ) 1 2 W i 'x ix x i W i2 x u ix - x iW i2 x u i '
眼睛是心灵的窗户，是人体中最宝贵 的感觉 器官， 可很多 孩子对 眼睛的 重要性 不重视 。在每 学期的 视力测 查中情 况都不 容乐观
• 有限元方法的分类
依据求解问题的路径不同，有限元方法大致可分为： 位移法：以位移为基本未知量 力法：应力为基本未知量 混合法：部分以位移；部分以应力为基本未知量
• 有限元位移法的基本概念
几何矩阵的一般表达形式：
其中：
ε
B
e
δ
x
0
0
0
y
0
0
B
y
0
x
z
0
N
0
0
1
0 N1 0
0 0 N1
N2 0 0
0 N2 0
0
0
N 2
0
z y
z
0
x
眼睛是心灵的窗户，是人体中最宝贵 的感觉 器官， 可很多 孩子对 眼睛的 重要性 不重视 。在每 学期的 视力测 查中情 况都不 容乐观
ji ji
i,j0,1,2, n
可令：
Ni
x
C x x 0 x x 1 x x i - 1 x x i + 1 x x n
《有限元法及其应用》课件
某型战斗机的机翼设计过程中，通过有限元分析，优化了机翼的结构和材料分布，提高了机翼的抗弯和 抗扭能力，同时减小了机翼的气动阻力，为飞机的高性能提供了保障。
汽车碰撞模拟
01
总结词
利用有限元法模拟汽车碰撞过程，评估汽车的安全性能和 改进设计方案。
02 03
详细描述
汽车碰撞是交通事故中最为严重的一种情况，有限元法能 够模拟汽车碰撞过程，对汽车的结构、材料和吸能设计等 进行评估，为汽车的安全性能提供科学依据。同时，通过 模拟不同碰撞条件下的结果，可以为汽车设计提供改进方 案。
通过离散化的方法，将连续的偏微分 方程转化为离散的代数方程组。
刚度矩阵与载荷向量
刚度矩阵
描述了每个单元的刚度关系，反 映了单元之间的相互作用。
载荷向量
描述了作用在每个节点上的外力 。
位移求解与应力分析
位移求解
通过求解离散化的代数方程组，得到每个节点的位移。
应力分析
根据位移求解的结果，通过计算得到每个单元的应力应变状态。
有限元法的应用领域
结构分析
有限元法在结构分析中应用最为广泛，可 以用于分析各种结构的应力、应变、位移
等。
电磁场分析
有限元法可以用于分析电磁场中的电场强 度、磁场强度、电流密度等，如电磁兼容
性分析、天线设计等。
流体动力学
有限元法可以用于模拟流体在各种复杂环 境下的流动行为，如航空航天、船舶、汽 车等领域的流体动力学问题。
应用领域
广泛应用于科学研究和工 程领域，如化学、生物医 学、电磁学等。
FE-SAFE
概述
FE-SAFE是一款用于结构疲劳分析的有限元软件 ，基于有限元方法进行疲劳寿命预测。
特点
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