有限元法基础-5等参元与数值积分
《有限元基础及应用》课程大纲
《有限元基础及应用》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程目标（一）总体目标：有限元法是求解复杂工程问题进行数值模拟非常有效的方法，是现代数字化科技的一种重要基础性原理。
将它应用于科学研究中，可以成为探究物质客观规律的先进手段；将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具。
有限元法已经成为机械工程、车辆工程、航空航天工程、土木建筑等专业的必修课或选修课，有限元商用软件也是广大工程技术人员从事产品开发、设计、分析，以及生产服务的重要工具。
通过本课程的学习使同学们掌握有限元分析方法的基础知识和原理；掌握大型有限元分析软件（ANSYS）的使用；有限元方法的实际应用：能够针对具有复杂几何形状的变形体完整获取复杂外力作用下它内部准确力学信息，在准确进行力学分析的基础上，可以对所研究对象进行强度、刚度等方面的判断，以便对研究结构进行静态、动态的强度和刚度分析、参数设计以及结构优化设计。
内容由浅入深，通俗易懂，结合实践应用分析，培养学生理论联系实际和解决实际问题的能力。
（二）课程目标：课程目标1：掌握有限元方法的基本原理，分析过程和步骤，形函数的构造方法，以及针对不同维度、不同结构准确选择合适的单元的技巧；课程目标2：掌握有限元分析方法，具有对不同工程问题建立相应力学模型再选取适合的有限元模型离散，最后得到高精度低成本的数值模拟结果；课程目标3：利用有限元原理和应用软件（ANSYS），能够针对车辆结构中具有复杂几何形状的零部件完整获取复杂外力作用下其内部的准确力学信息（位移、应力和应变），并能根据强度、刚度、稳定性及疲劳等进行分析判断结构的安全性，具有分析和解决工程实际问题的能力；课程目标4：掌握大型商用有限元软件（ANSYS）对车辆结构部件的静力学、动力学和多物理场耦合问题进行数值模拟和分析。
能够了解不同单元的适用范围以及有限元方法数值模拟的局限性。
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求1、2、3、5。
有限元法介绍
通俗地说，有限元法就是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。
这项技术带来的好处就是，在图纸设计阶段就能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现什么问题，不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题，可以有效降低产品开发的成本，缩短产品设计的周期。
有限元法也叫有限单元法（finite element m ethod, FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。
五十年代初，它首先应用于连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。
由于这种方法的有效性，有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非连续体。
有限元法最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。
事实上，当划分的区域足够小，每个区域内的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。
理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但是计算量相应增大。
为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个平衡点。
有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来，可以用一个简单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力，求解过程只需要计算出结点处的应力或者变形，非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的，换句话说，有限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。
大多数有限元程序都是以结点位移作为基本变量，求出结点位移后再计算单元内的应力，这种方法称为位移法。
有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法，认识到这一点以后，从70年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。
有限单元法的数学基础
有限单元法的数学基础1、引言有限元方法归根结底是一种数值计算方法，它有严格的数学证明作为其近似的客观性和合理性的保证。
力学问题最终归结为一组微分方程的边值问题或者初值问题抑或是混合问题。
比如弹性静力学最终归结为L-N 方程的微分提法。
在很难或者根本不可能得到所得方程的理论解的情况下，究竟用什么样的方法才能得到方程的近似解（这种近似解已经能够满足实际工程的需要），在这种情况下，二十世纪五六十年代由结构力学家进而由数学家提出和证明了这种思想方法的合理性。
有限元方法产生于力学计算，但是，它本质上并不是力学的专利。
世间万物的变化过程很多都可以通过微分方程特别是偏微分方程来描述，也就是说，微分方程是很多现象和过程的数学结构，而大多数的微分方程是不能得到理论解的，这时候就可以使用有限元方法来求其近似解，因为有限元方法是求解微分方程（组）的数值计算方法。
它适用于力学的微分方程，也同样适用于其它领域的相应的微分方程的数值求解。
2、有限元方法数学根源对于一个给定的微分方程定解问题，为了求其近似解，我们可以使用Ritz 方法和Galerkin 方法。
下面分别阐述这两种方法，然后讨论有限元方法和他们的关系。
（1） Ritz 法Ritz 法源于最小势能原理，设H 是可分的Hilbert 空间，在H 中取有限维空间Sn ，它是由N 个线性无关向量12,,,N φφφ 张成，即：121,,(,,)NN n n i i N N i S C C C C R ωωφ=⎧⎫≡=∀∈⎨⎬⎩⎭∑用N S 代替H ，在N S 上求泛函J(w)的极值,即求N U ∈N S ，使得()N J U =min ()N N S N J ωω∈实际上寻求N U 只需通过解一个线性方程组1()(,)()02J D F ωωωω=-≥D--------双线性形式 F--------线性泛函1NN i i i C ωφ==∑111,111()(,)()21(,)()2N N NN i i i i i i i i i NN i j i j i ii j i J D C C F C D C C F C ωφφφφφφ====== =-∑∑∑∑∑－因此，()N J ω是一个以12,,,N C C C 为未知数（自变量）的二次多项式12(,,,)N j C C C ，如果二次项的系数矩阵,1,2,,[(,)]i j i j N D φφ= 是正定的，那么12(,,,)N j j C C C = 在N+1维空间是一个开口向上的椭球抛物面，它有且只有一个极（最）小值点，所谓在N S 上求()N J ω的极值，就是确定00012,,,N C C C ，使得：00012(,,,)N j C C C ＝1000,,12min (,,,)N C C R N j C C C ∈极值条件：ijC ∂∂|00012,,,N C C C ＝0 （1,,i N = ） 得:01()()ni ji i i D CF φφφ==∑ (1,,i N = )即：00012[,,,]T N C C C C = 适合方程组：KC=F11[(),,()]T F F F φφ=112111222212(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,),(,),,(,)N N N N N N D D D D D D K D D D φφφφφφφφφφφφφφφφφφ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭，，，，，， 。
有限元分析第五章(第二部分
§5-5数值积分１、问题的提出在上一节中对等参元进行单元分析时要进行下列积分： (i) 单元刚度矩阵(ii)体积力的等效结点力(iii)边界力的等效结点力(iv)温升载荷的等效结点力式（5-4-5）~（5-4-8）分别归结为计算以下两种形式的积分对于上述积分仅在单元的形状十分规则的情况下才能得到解析的结果（精确值），一般情况只能用数值积分方法（主要是高斯求积法）求近似值。
虽然数值积分是“被迫“采用的，但后来发现：有选择地控制积分点的个数和位置，可以方便地实现我们的某些特殊意图。
这样一来，数值积分就成为有限元分析的一个重要组成部分，以至本来可以精确积分的三角形单元也常常采用数值积分。
２、数值积分的基本概念任何积分工作取决于三个要素：给定的积分区间，给定的被积函数，具体的积分方法。
下面以一维情况为例介绍数值积分的基本概念 (i) 梯形法函数()x f 在区间(a,b)的积分可以表达为 ()()ini ibax f W dx x f I ∑⎰=≈=1⎰⎰⎰---111111),()(dxdxy x f dx x f 、 [][][][][][][]ηξd d J t B E B tdxdyB E B k T Te det 1111⎰⎰⎰⎰--=={}[][]ηξσd d J t f f N td f f N r y x T y x T eV det 1111⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎰⎰⎰⎰--{}[]{}ηξσγd Jd t B T det 01111T ⎰⎰--={}[]()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎰⎰⎰--dy y f dx x f tds q p N r T 1111,ΓΓ(5-4-5) (5-4-8) (5-4-7) (5-4-6)i W ：权系数； i x ：积分样点；()i x f ：积分样点的函数值。
梯形法的求积公式为其中，1--=n ab h ，而a b W ni i -=∑=1(ii) 当被积函数为n-1次多项式P n-1(x )时，则由n 个样点及其样点值（x i , P n-1(x i ),i=1,n ）可以精确重构这个多项式，从而可以得到精确解。
有限元法
有限元法有限元法是一套求解微分方程的系统化数值计算方法，它比传统解法具有理论完整可靠，物理意义直观明确，解题效能强等优点，特别是由于这种方法适应性强，形式单纯、规范，所以近年来在电子计算机的配合下，已推广应用到很多工程技术部门和某些科学领域。
本章是从应用的角度来介绍有限元法的基本知识，首先通过典型的位移法阐述有限元法的一般原理与解算过程，然后叙述了剖分单元的技巧，最后介绍与有限元法有关的弹性力学问题。
常用符号规定如下(括号内为力学术语或释例)：Ω，表示区域及其边界。
表示区域Ω的单元及其边界。
表示单元的第i个顶点，简记作节点i。
表示系数(刚度)矩阵。
()表示单元的系数(刚度)矩阵。
(x，y，z)表示总体的直角坐标。
(）表示单元的局部坐标。
(，，），（，，，）等表示单元的自然坐标。
(x，y ，)表示节点i的直角坐标。
(u，v，w）表示一组待定函数（分别为沿x，y，z方向的位移分量），其列矢量表示为u。
1(u，v，w)表示（u，v，w）在单元上的插值函数，其列矢量表示为u。
(u，v，w）表示节点i的函数（位移）值。
{u，v，w}表示节点i的一组参数值，即函数直到某阶导数在节点i上的值按一定次序排成的列矢量{u}。
例如{u}= {u，v，w}=（u，u，u，u，v，v，v，v，w，w，w，w）式中τ表示转置。
{u，v，w}表示{u，v，w}按单元的节点序号排成的列矢量，表示为{u}。
等表示单元的型函数。
{R}表示n次多项式中含变量x，y，z各项按一定次序排成的列矢量，并以表示其中第k个分量。
例如二元二次多项式{}表示n 次多项式中各项相应的系数排成的列矢量，并以表示其中第k个分量。
例如对于{}，{}={f，g，h}表示与节点参数相对应的一组已知函数及其导数在节点i上的值排成的列矢量。
2{f，g，h}表示{f，g，h}按单元的节点序号排成的列矢量。
，或放在定义或公式之后表示其中函数u，v，w，变量x，y，z或下标i，j，k作循环替换后，该定义或公式仍然成立。
有限元法的基本原理
第二章有限单元法的基本原理作为一种比较成熟的数值计算方法，有限元的数学基础是变分原理。
经过半个过世纪的发展，它的数学基础已经比较完善。
从数学角度分析，有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的数值计算方法。
它广泛的应用于解算各种类型的偏微分方程，特别对椭圆型方程，因为椭圆型方程的边值问题等价于适当的变分问题，即能量积分的级值问题。
通过变分，导出相应的泛涵，再把作用域从几何上剖分为足够小的单元，这样就能够用简单的图形去拟合复杂的边界，用简单的初等函数去模拟单元的性质。
在解算中先对每个单元进行分析，后在通过连接单元的节点对作用域的整体进行分析，就是对泛涵求极值，从而把一个复杂的偏微分方程求解问题，变成解线形代数方程组的问题。
尽管这样会出现大量的未知数，由于采用了矩阵分析的方法，总体上很有规律，适合编制程序用计算机完成。
通常的数学考虑包括这些：1）从古典变分方法原理去定义微分方程边值问题的广义解以及在古典变分方法的框架对有限元进行理论分析。
2）保证偏微分方程边值问题的提法正确，即要求解存在、唯一和稳定，即保证数值解法是可靠的。
3）有限元中重要的一点是采用了分块多项式插值函数，因此，有限元的误差估计转化为插值逼近的误差估计问题。
4）有限元的收敛性和误差估计。
由于本文是应用有限元的理论解决大地测量中的问题，因此，这里将不讨论上叙问题，而是从固体力学的基本方程出发，通过虚功原理建立起离散化的有限元方程。
另外，还以八节点六面体单元为例，简要叙述了实际中最常用的等参单元的概念及其数值变化的一些公式。
§2.1 弹性力学基本方程有限元法中经常要用到弹性力学的基本方程，这里写出这些方程的矩阵表达式。
2-1-1、平衡方程对任意一点的受力情况分析，沿坐标轴方向x, y ,z分解得到平衡方程0*00000000=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂z y xxz yz xy z y x F F F z yzz x y z y x τττσσσ 记为： 0=+F A σ其中A 是微分算子，F 是体积力向量。
有限单元法基础
性体在各节点处的位移解。
3、单元分析---三角形单元
y
3.1 单元的结点位移和结点力向量
从离散化的网格中任取一个单元。三个结点 按反时针方向的顺序编号为：i, j, m。
结点坐标: (xi,yi) , (xj,yj) , (xm,ym) 结点位移: (ui,vi) , (uj,yj) , (um,vm) 共有6个自由度
单元位移插值函数： u(x, y) a1 a2 x a3 y
(3.1)
v(x, y) a4 a5x a6 y
插值函数的系数： a1 aiui a ju j amum / 2 A, a4 aivi a jv j amvm / 2 A,
a2 biui bju j bmum / 2 A, a5 bivi bjv j bmvm / 2 A,
um a1 a2 xm a3 ym , vm a4 a5 xm a6 ym ,
求解以上方程组得到以节点位移和节点坐标表示的6个参数：
a1 aiui a ju j amum / 2 A, a4 aivi a jv j amvm / 2 A, a2 biui bju j bmum / 2 A, a5 bivi bjv j bmvm / 2 A, a3 ciui c ju j cmum / 2 A, a6 civi c jv j cmvm / 2 A,
研究方法
从数学上讲它是微分方程边值问题(椭圆型微分方程、抛物型微分方程和双曲型微 分方程)的一种的数值解法，是一种将数学物理问题化为等价的变分问题的解法，并作 为一种通用的数值解法成为应用数学的一个重要分支。从物理上讲是将连续介质物理 场进行离散化，将无限自由度问题化为有限自由度问题的一种解方法。从固体力学上 认识，是瑞利-里兹法的推广。
有限元法简介
有限元法的孕育过程及诞生和发展 牛顿(Newton) 莱布尼茨(Leibniz G. W.)
大约在300年前，牛顿和莱布尼茨发明了积 分法，证明了该运算具有整体对局部的可加 性。虽然，积分运算与有限元技术对定义域 的划分是不同的，前者进行无限划分而后者 进行有限划分，但积分运算为实现有限元技 术准备好了一个理论基础。
思路：以计算机为工具，分析任意变形体以获得所有 力学信息，并使得该方法能够普及、简单、高效、方 便，一般人员可以使用。 实现办法：
技术路线：
发展过程： 如何处理 对象的离散化过程
常用单元的形状
.点 (质量)
面 (薄壳, 二维实体,
..
轴对称实体)
. .
...
. .
...
线性
二次
. . 线(弹簧，梁，杆，间隙)
有限元法介绍
有限元法的基本思想是将结构离散化，用 有限个容易分析的单元来表示复杂的对象， 单元之间通过有限个结点相互连接，然后 根据变形协调条件综合求解。由于单元的 数目是有限的，结点的数目也是有限的， 所以称为有限元法(FEM，Finite Element Method)。
有限元法是最重要的工程分析技术之一。 它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流 体力学、热传导等领域。有限元法是60年 代以来发展起来的新的数值计算方法，是 计算机时代的产物。虽然有限元的概念早 在40年代就有人提出，但由于当时计算机 尚未出现，它并未受到人们的重视。
X
0.056
0.058
X
0.06
Y
Y
0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
0
-0.001
-0.002
-0.003 0.054
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2
有限元法基础
5. 等参元与数值积分
关键概念
等(超、次)参变换 等参变换的条件 数值积分 高斯积分
雅克比矩阵和行列式 等参元的收敛性 精确积分
减缩积分
矩阵的秩
零能模式
3
有限元法基础
5.1等参变换的概念
将局部（自然）坐标中的简单几何形状的单元，转换
成总体（物理）坐标中的几何扭曲的单元，必须建立一
个坐标变换，即
y y y
z N i N i x x z N i N i J y y N i z N i z z
J 1 =
1 * J J
J 的伴随矩阵
15
有限元法基础
5.1等参变换的概念 由坐标变换求得Jacobi矩阵中的元素
n Ni x xi i 1 n Ni y yi i 1 n Ni z zi i 1 n Ni x xi i 1 n Ni y yi i 1 n Ni z zi i 1 n Ni x xi i 1 n Ni y yi i 1 n Ni z zi i 1
11
有限元法基础
5.1等参变换的概念 单元矩阵的变换 等参变换单元矩阵的变化：
等参变换
单元矩阵的变化：B、K、dΩ、……
12
有限元法基础
5.1等参变换的概念 由于插值函数使用自然坐标，涉及到求导和积分的变 换，如B矩阵的偏微分计算，K矩阵的积分计算。
x Bi 0 y 0 Ni 0 y x N i x 0 0 Ni N i y 0 N i y N i x
L1 x L2 y f 或 f L3 z L 4
4
有限元法基础
5.1等参变换的概念
J 1 是否存在？ 存在的条件是
J ( x, y, z ) 0 ( , , )
这是两个坐标系间一对一变换的条件
24
有限元法基础
5.2 等参变换的条件与收敛性 以二维情况为例说明 1）子单元与母单元的单元节点编号顺序相反， J 顺序相同
J 0 0
，
2） dA d d d d sin(d , d ) d d sin
13
有限元法基础
5.1等参变换的概念 1）导数之间的变换 由复合函数求导规则有
Ni Ni x Ni y Ni z x y z
写成矩阵形式
N i x N i x N i x
d (d d ) d J d d d
17
有限元法基础
5.1等参变换的概念 单元刚度矩阵
K e BT CB d BT CB J d d d
1 1 1 1 1 1
等效体积力
Q N T F J d d d
e F 1 1 1 1 1 1
若子单元与母单元同样是凸的，即各节点处
0 180
0 sin 1
J 0
J 1 存在
25
有限元法基础
5.2 等参变换的条件与收敛性 畸变单元举例 节点1 节点2 节点3
sin 1 0, J1 0
sin2 0, J2 0
sin3 0, J3 0
第五章 等参元与数值积分
5.1 等参变换的概念
5.2 等参变换的条件和收敛性
5.3 数值积分方法 5.4 数值积分阶次的选择
1
有限元法基础
5. 等参元与数值积分
本章重点
等参变化的概念和实现单元特性矩阵方法
实现等参变换的条件和满足收敛准则的条件
数值积分的基本思想和Gauss积分的特点 单元刚度矩阵数值积分阶次的选择
16
有限元法基础
5.1等参变换的概念 2）体积微元的变换
x y z d i d j d k x y z d d i d j d k x y z d d i d j d k d
5
有限元法基础
5.1等参变换的概念
6
有限元法基础
5.1等参变换的概念
规则化单元：母单元
在自然坐标系内(局部)
实际单元：子单元 在总体坐标系内(整体)
利用节点坐标和形函数建立坐标变换关系
x Ni' xi
i 1
n
m
y Ni' yi
i 1
n
m
z Ni' zi
i 1
n
m
u Ni ui
Ae
( ) d
0
1 1 L2
0
( ) J dL1dL2
直边三角形时： J 2
22
有限元法基础
5.1等参变换的概念 6）体积坐标
L1, L2 , L3 , 1 L4
Ni [ , , , 1 ]
21
1/2
有限元法基础
5.1等参变换的概念 5）面积坐标
L1, L2 , 1 L3
Ni [ , , 1 ]
Ni Ni L1 Ni L2 Ni L3 Ni Ni L1 L2 L3 L1 L3 Ni Ni L1 Ni L2 Ni L3 Ni Ni L1 L2 L3 L2 L3
i 1
v Ni vi
i 1
w Ni wi
i 1
7
有限元法基础
5.1等参变换的概念 等参变换
坐标变换和场函数插值采用相同的节点，m=n, 并且
采用相同的插值函数。这样建立的单元，称为等参元。 超参变换 坐标变换的节点数多于场函数插值的节点数，即m>n。 这样建立的单元，称为超参元。 次参变换 坐标变换的节点数少于场函数插值的节点数，即m<n。 这样建立的单元，称为次参元。
1 (1, 0, 0) 2 (0,1, 0) 3(0, 0,1) 4(0, 0, 0)
e
( ) d
0
1 1 L1 1 L1 L2
0 0
( ) J dL3dL2 dL1
23
有限元法基础
5.2 等参变换的条件与收敛性 等参变换的条件
等参变换中，需计算Jacobi矩阵的逆
8
有限元法基础
5.1等参变换的概念 例：一维2节点单元
x Ni xi
i 1
2
y Ni yi
i 1
2
z Ni zi
i 1
2
1 N i (1 i ) 2
(i 1, 2)
9
有限元法基础
5.1等参变换的概念 例：二维3节点单元
x Ni xi
i 1
四边形退化为三角形单元的积分精度较差。
27
有限元法基础
5.2 等参变换的条件与收敛性 等参单元的收敛性 弹性力学问题的收敛性包括完备性和协调性： 完备性：场插值至少一阶完备，能正确反映刚体位移 和常应变。
协调性：单元内部位移连续且满足几何方程，单元间
的位移场是连续的。
28
有限元法基础
5.2 等参变换的条件与收敛性 完备性 设单元内任一点i的位移场为
由于 J 是连续函数，故在1-2边至到2-3边时 必有一点
J 0
，不具备等参变换条件。
26
有限元法基础
5.2 等参变换的条件与收敛性 畸变单元举例 边1-2 退化为一个节点 在该点处
d 0
J 0 ，也不具备
等参变换条件。 实际计算单元刚度矩阵是用数值积分，
并不会出现奇异性，应用中仍可使用；
19
有限元法基础
5.1等参变换的概念 边界面力的变换
e QT e N TT d
以 1为例，d 0
Q e N T T dA N T T Ad d
Ae 1 1 1 1
20
有限元法基础
5.1等参变换的概念 4）对二维问题
Ni x Ni x y Ni Ni Ni x ( x, y) x x N J N N y i ( , ) i i y y y
dA = d d
1
Ad d
1/2
y z y z 2 Z x z x 2 x y x y 2 A
y * J = x
y x
x y y x J
面元
d dxdy J dd
线元 1
x 2 y 2 d d
3
y Ni yi
i 1
3
z Ni zi
i 1
3
Ni [1 , , ]
10
有限元法基础
5.1等参变换的概念 例：平面4节点单元
x Ni xi
i 1
4
y Ni yi
i 1
4
1 Ni (1 i )(1 i ) (i 1, 2,3, 4) 4
18
有限元法基础
5.1等参变换的概念 3）面积微元的变换 以 1为例，d 0