AV426有限元方法
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！。
有限元求解方法
有限元求解方法有限元求解方法是一种常用的数值计算方法，广泛应用于工程、科学和数学领域的求解问题。
本文将介绍有限元求解方法的基本原理、步骤和应用范围。
有限元求解方法是一种数值计算方法，通过将一个连续的问题离散化成有限个子问题，然后对这些子问题进行求解，最终得到整个问题的近似解。
在有限元求解方法中，将要求解的问题分割成许多小的单元，每个单元都有一个简单的数学模型。
通过对每个单元的求解，再通过组合这些单元的解，就可以得到整个问题的解。
有限元求解方法的步骤大致可以分为以下几个部分：建立数学模型、离散化、确定边界条件、求解、后处理。
首先，需要根据实际问题建立一个数学模型，这个模型可以是一个方程、一个微分方程或者一个变分问题。
然后，将问题离散化，将连续的问题分割成有限个单元，并在每个单元上建立一个简单的数学模型。
接下来，确定边界条件，即在模型的边界上给定一些已知条件。
然后，通过求解每个单元的数学模型，得到每个单元的解。
最后，将每个单元的解组合起来，得到整个问题的解。
在得到解之后，可以进行后处理，对解进行分析和验证。
有限元求解方法广泛应用于各个领域的问题求解中。
在工程领域，有限元方法可以用于结构力学、热传导、流体力学等问题的求解。
例如，在结构力学中，可以通过有限元求解方法来计算结构的应力和位移分布，进而评估结构的强度和稳定性。
在科学领域，有限元方法可以用于物理、化学、生物等问题的求解。
例如，在地震学中，可以通过有限元求解方法来模拟地震波的传播和地壳变形。
在数学领域，有限元方法可以用于偏微分方程的数值求解。
例如，在偏微分方程的数值解法中，有限元方法是一种常用的求解方法。
有限元求解方法的优点是可以处理复杂的几何形状和边界条件，并且可以灵活地调整离散化的精度。
同时，有限元求解方法还具有较高的计算效率和数值稳定性。
然而，有限元求解方法也存在一些限制和局限性。
首先，有限元方法的求解精度受到离散化的影响，离散化越精细，求解结果越接近真实解。
有限元求解步骤方法
步骤方法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(网格越细)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、迭代法和随机法。
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，前置处理、计算求解和后置处理。
前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分;后置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。
有限元方法(FEA)
x、 y、 z、 xy、 yz、 zx
或
1、 2、 3、12、 23、 31
应变
物体的形状改变可以归结为长度和角度的改变。 各线段的单位长度的伸缩，称为正应变，用ε表 示。 两个垂直线段之间的直角的改变，用弧度表示， 称为剪应变，用γ表示。
du dL
dL dL+du
x y o
x yx b y x
习惯上
x xy bx 0 y x y yx b 0 y y x
有限元方法（FEA）
2015-9
第一部分：有限元简介
简介
有限元方法是求解数学物理问题的一种数值计算 方法，起源于固体力学，然后迅速扩展到流体力 学、传热学、电磁学等其他物理领域。 有限元分析是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。利用简单而又 相互作用的元素，即单元，用有限数量的未知量 去逼近无限未知量的真实系统。 有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
结构分析-分类
静力分析 -用于静态载荷. 可以考虑结构的线性及非 线性行为，例如: 大变形、大应变、应力刚化、接触、 塑性、超弹及蠕变等. 动力分析 -动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和 阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。 “动力学特性” 可能指的是下面的一种或几种类型:
力学学科各分支的关系
力学学科 中学力学 研究对象 质点 特征 无变形
理论力学
材料力学 结构力学 弹性力学 弹塑性力学
质点系及刚体
简单变形体(构件) 数量众多的简单变形体 任意变形体 任意变形体
无变形
有限元计算原理与方法
1.有限元计算原理与方法有限元是将一个连续体结构离散成有限个单元体,这些单元体在节点处相互铰结，把荷载简化到节点上,计算在外荷载作用下各节点的位移,进而计算各单元的应力和应变。
用离散体的解答近似代替原连续体解答，当单元划分得足够密时，它与真实解是接近的。
1.1. 有限元分析的基本理论有限元单元法的基本过程如下：1.1.1.连续体的离散化首先从几何上将分析的工程结构对象离散化为一系列有限个单元组成，相邻单元之间利用单元的节点相互连接而成为一个整体.单元可采用各种类型，对于三维有限元分析，可采用四面体单元、五西体单元和六面体单元等。
在Plaxis 3D Foundation程序中，土体和桩体主要采用包含6个高斯点的15节点二次楔形体单元，该单元由水平面为6节点的三角形单元和竖直面为四边形8节点组成的，其局部坐标下的节点和应力点分布见图3。
1，图3.1 15节点楔形体单元节点和应力点分布界面单元采用包含9个高斯点的8个成对节点四边形单元。
在可能出现应力集中或应力梯度较大的地方,应适当将单元划分得密集些；若连续体只在有限个点上被约束，则应把约束点也取为节点：若有面约束,则应把面约束简化到节点上去，以便对单元组合体施加位移边界条件，进行约束处理；若连续介质体受有集中力和分布荷载，除把集中力作用点取为节点外，应把分布荷载等效地移置到有关节点上去。
最后,还应建立一个适合所有单元的总体坐标系。
由此看来，有限单元法中的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。
因此，用有限元法计算获得的结果只是近似的，单元划分越细且又合理，计算结果精度就越高.与位移不同，应力和应变是在Gauss 积分点（或应力点）而不是在节点上计算的，而桩的内力则可通过对桩截面进行积分褥到。
1.1.2. 单元位移插值函数的选取在有限元法中，将连续体划分成许多单元，取每个单元的若干节点的位移作为未知量，即{}[u ,v ,w ,...]e T i i i δ=，单元体内任一点的位移为{}[,,]Tf u v w =。
有限元方法的求解步骤
有限元方法的求解步骤
1.构建几何模型：首先，需要根据实际问题构建一个几何模型。
这可以通过使用计算机辅助设计（CAD）软件进行建模，或者手动绘制模型。
2.离散化：在几何模型的基础上，需要将其离散化为有限个小元素。
最常用的元素是三角形和四边形，也可以使用更复杂的元素类型。
3.选择数学模型和假设：根据问题的物理特性，需要选择适当的数学模型和假设。
这可能涉及选择适当的方程、边界条件和材料性质等。
4.导出有限元方程：根据选择的数学模型和假设，使用变分原理或其他数学方法，可以导出与离散化模型相对应的有限元方程。
这个方程通常是一个代数方程组。
5.建立刚度矩阵和负载向量：有限元方程可以转化为刚度矩阵和负载向量的形式。
刚度矩阵描述了系统中元素和节点之间的关系，而负载向量描述了外部作用力。
6.施加边界条件：为了解决方程组并确定未知位移，需要施加边界条件。
边界条件可以是位移约束、力约束或其他类型的约束。
7.求解方程：将刚度矩阵和负载向量与边界条件组合起来，可以形成一个线性代数方程组。
可以使用各种数值方法求解线性方程组，例如直接求解、迭代法、预处理方法等。
8.后处理：在求解方程后，可以根据需要进行后处理。
后处理包括计算和输出感兴趣的结果，如应力、位移、应变等。
9.验证和调整：完成有限元求解后，需要验证结果的准确性，并根据需要对模型参数进行调整。
验证可以通过与理论解、实验结果或其他数值方法进行比较来完成。
10.进行优化和设计：利用有限元模拟的结果，可以进行系统的优化和设计改进。
这可以通过改变几何形状、材料属性或边界条件来实现。
有限元法的步骤
有限元法的步骤
有限元法呢，第一步就是结构离散化。
这就像是把一个大蛋糕切成好多小块块一样。
把要分析的结构按照一定的规则划分成好多小单元，这些小单元就像是一个个小积木块。
比如说一个复杂的机械零件或者一个大大的建筑结构，通过这个离散化，就变成了好多小单元的组合，这样就方便咱后面进行分析啦。
接下来就是单元分析喽。
每个小单元都有自己的特性，就像每个小积木块都有自己的形状和特点。
要确定每个单元的节点位移和节点力之间的关系，这个关系可重要啦，就像是小积木块之间怎么连接、怎么受力的规则一样。
要用到好多数学知识去计算呢，不过别怕，现在有好多软件可以帮忙做这些复杂的计算啦。
再然后就是整体分析。
把所有的小单元组合起来看，就像把小积木块搭成一个大城堡那样。
要考虑各个单元之间的连接和相互作用，形成一个整体的平衡方程。
这个方程就像是城堡的建筑蓝图，告诉我们整个结构在受力的时候是怎么个情况。
还有等效节点载荷的计算。
这一步就像是给搭好的城堡加上各种重量或者外力一样。
要把实际作用在结构上的载荷等效地分配到各个节点上，这样才能准确地模拟结构在实际工作中的受力状态。
最后呢，求解未知节点的位移和应力啥的。
这就像是知道了城堡在各种外力下每个小积木块的位置变化和受力情况。
通过解前面得到的方程，就能得到我们想要的结果啦，比如结构会不会变形太大呀，哪个地方的应力最大容易坏呀之类的。
有限元法虽然听起来有点复杂，但是按照这些步骤一步一步来，就能很好地对各种结构进行分析啦。
。
有限元的基本步骤
有限元的基本步骤嘿，咱今儿就来聊聊有限元这档子事儿哈！有限元啊，那可不是啥随随便便就能搞定的东西呢！就好像盖房子，得一步步来，少了哪一步都不行。
先说说这第一步，就好比是打地基，得把模型建起来呀！你得清楚要分析的是个啥玩意儿，把它的形状、尺寸啥的都整明白咯。
这就跟认识一个新朋友似的，得先知道人家长啥样，有啥特点不是？接着呢，就是划分网格啦！这就好像给这个模型穿上一件网格衣服。
这衣服可得穿得合适，不能大了也不能小了。
网格分得好，后面的计算才能更准确呀！不然就跟穿了不合身的衣服一样，别扭得很呢！然后啊，就得确定边界条件啦！这可重要得很嘞！就好比是给这个模型定规矩，哪些地方能活动，哪些地方不能动，都得搞清楚。
这要是弄错了，那可就全乱套啦！再接下来就是求解啦！这就像是让这个模型开始工作，看看它在各种条件下会有啥反应。
这可需要点耐心和技巧哦，就跟解一道难题似的，得仔细琢磨。
最后呢，就是分析结果啦！这就像是检查作业，看看做得对不对，好不好。
要是结果不满意，那还得回头去看看是哪一步出了问题，重新再来一遍。
你说这有限元像不像一场战斗？每一步都得小心翼翼，不能有丝毫马虎。
要是有一步没走好，那可能就全盘皆输啦！有限元的世界可真是奇妙又复杂呀！它能帮我们解决好多实际问题呢。
比如说设计个大桥啊，制造个飞机零件啥的。
没有有限元，这些可都不好搞嘞！咱在学习有限元的时候，可不能着急，得一步一个脚印地走。
就像学走路一样，刚开始可能会跌跌撞撞，但只要坚持，总会走得稳稳当当的。
大家想想，要是没有有限元，那我们的科技得落后多少呀！所以说呀，这有限元可真是个宝贝呢！咱可得好好学，好好用，让它为我们的生活带来更多的便利和进步！你说是不是这个理儿？。
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参考书：
1．MSC/NASTRAN用户手册。
2．MSC/PATRAN用户手册
ABAQUS用户手册
其它（More）
备注（Notes）
《有限元方法》课程教学大纲
课程基本信息（Course Information）
课程代码
（Course Code）
AV426
*学时
（Credit Hours）
48
*学分
（Credits）
3
*课程名称
（Course Name）
（中文）有限元方法
（英文）Finite Element Methods
课程性质
课程教学大纲（Course Syllabus）
*学习目标(Learning Outcomes)
通过该课程的学习，围绕Байду номын сангаас限元分析理论和软件应用两条主线，培养学生了解有限元的基本原理和使用商用软件解决工程问题的本领。使得学生熟悉有限元方法及工程实用软件，为今后从事结构力学分析打下良好基础。
*教学内容、进度安排及要求(Class Schedule & Requirements)
(Course Type)
专业选修课
授课对象
（Audience）
航空航天工程专业本科生
授课语言
(Language of Instruction)
中文
*开课院系
（School）
航空航天学院
先修课程
（Prerequisite）
材料力学或固体力学与结构
授课教师
（Instructor）
课程网址
(Course Webpage)
*课程简介（Description）
This lesson is an optional coursefor the students of School of Aeronautics & Astronautics. It covers the following topics: basic theory of FEM, elements and interpolation function,isoparametric element, truss problems, plate problems, solid problems, commercial FEM software, pre- and post-processors, linear problems, non-linear problems, composites problems.
By learning the course, students can radically be aware of finite element method and technology and its application, and make the basis for their future research work on structure analysis.
*课程简介（Description）
本课程是航空航天学院本科学生的一门选修课，本课程主要内容包括：有限元的原理、单元和插值函数、等参元、一维杆系问题的解法、二维平面问题的解法、三维实体问题的解法、有限元软件介绍、有限元前后处理的应用、线弹性有限元问题的实例、非线性有限元实例、复合材料有限元实例。
通过该课程的学习，使得学生熟悉有限元方法及工程实用软件，为今后从事结构力学分析打下良好基础。
教学内容
学时
教学方式
作业及要求
基本要求
考查方式
有限元基本原理
16
课堂授课
每周作业
预习、阅读教材
课堂提问
软件介绍
8
课堂授课
每周作业
预习、阅读教材
课堂提问
实例分析
24
课堂授课
每周作业
预习、阅读教材
课堂提问
*考核方式(Grading)
（成绩构成）平时作业、课堂表现、小组大作业、期末考试
*教材或参考资料(Textbooks & Other Materials)