有限元例题
有限元试题及答案
有限元试题及答案一、选择题1. 有限元方法是一种用于求解工程和物理问题的数值技术，其核心思想是将连续域划分为有限数量的离散子域。
以下哪项不是有限元方法的特点？A. 网格划分B. 边界条件处理C. 局部近似D. 整体求解答案：D2. 在有限元分析中，以下哪项不是网格划分的常见类型？A. 三角形网格B. 四边形网格C. 六边形网格D. 圆形网格答案：D3. 对于线性弹性问题，以下哪种元素类型不适用于有限元分析？A. 线性三角形元素B. 二次三角形元素C. 线性四边形元素D. 三次四边形元素答案：D二、填空题1. 在有限元分析中，单元刚度矩阵的计算通常涉及到单元的_________。
答案：形状函数2. 有限元方法中，边界条件可以分为_________和_________。
答案：Dirichlet边界条件；Neumann边界条件3. 有限元软件通常采用_________方法来求解大型稀疏方程组。
答案：迭代三、简答题1. 简述有限元方法的基本步骤。
答案：有限元方法的基本步骤包括：- 定义问题的几何域和边界条件。
- 将几何域划分为有限数量的小单元。
- 为每个单元定义形状函数。
- 计算单元刚度矩阵和载荷向量。
- 组装全局刚度矩阵和载荷向量。
- 施加边界条件。
- 求解线性方程组，得到节点位移。
- 计算单元应力和应变。
2. 为什么在有限元分析中需要进行网格划分？答案：网格划分是有限元分析中的一个重要步骤，因为它允许将连续的几何域离散化，使得问题可以被数值方法求解。
通过网格划分，可以： - 简化复杂几何形状的分析。
- 适应不同的材料属性和边界条件。
- 提供足够的细节以捕捉应力和位移的局部变化。
- 减少计算复杂度，提高求解效率。
四、计算题1. 假设有一个平面应力问题，已知材料的弹性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3。
请计算一个边长为10mm的正方形单元在单轴拉伸下的单元刚度矩阵。
答案：单元刚度矩阵\[ K \]可以通过以下公式计算：\[K = \frac{E}{(1-\nu^2)} \int_{\Omega} \left[ B^T B \right] d\Omega\]其中，\( B \)是应变-位移矩阵，\( \Omega \)是单元的面积。
有限元试题及答案
有限元试题及答案一、选择题1.有限元分析是一种利用计算机数值方法进行结构分析的方法，下面哪个说法是正确的？A. 有限元分析对结构的约束条件没有要求B. 有限元分析只适用于静力分析C. 有限元分析可以用来研究结构的动力响应D. 有限元分析的计算结果一定是精确的答案：C2.有限元法的基本步骤包括以下几个环节：I. 离散化II. 单元划分III. 节点连接IV. 计算材料性质V. 施加边界条件VI. 构建刚度矩阵和载荷向量VII. 求解节点位移和应力VIII. 后处理与结果分析请问选择项中正确的顺序是：A. IV – I – II – III – V – VI – VII – VIIIB. I – II – III – IV – V – VI – VII – VIIIC. II – III – V – IV – VI – I – VII – VIIID. I – III – II – IV – V – VI – VII – VIII答案：B3.在有限元分析中，单元是指将结构划分为有限个小单元来近似表示结构的方法。
下面哪个选项给出了常用的结构单元类型？A. 三角形单元，四面体单元，六面体单元B. 矩形单元，六面体单元，圆形单元C. 圆形单元，矩形单元，六面体单元D. 四面体单元，矩形单元，三角形单元答案：D二、填空题1.有限元分析中，刚度矩阵的计算需要根据单元的_________和材料的_________计算得到。
答案：几何形状，物理性质2.有限元法最常用的数学插值函数是_________函数。
答案：形函数3.在有限元分析中，自由度是指结构中的每个_________未知量。
答案：位移三、计算题1.给定如图所示的二维结构，使用有限元法进行分析。
假设结构材料为线性弹性材料，其杨氏模量为200 GPa，泊松比为0.3。
结构整体尺寸为5m x 3m，单元尺寸为1m x 1m。
分析载荷为2000 N，施加在结构的中心节点上。
有限元例题
q Fx 2 2 F2 Fy 2 0
K 11 K K 21 K 31 K 41
K 12 K 22 K 32 K 42
K 13 K 23 K 33 K 43
K 14 K 24 K 34 K 44
(3)零位移约束的处理，零位移处划行划列
K
K 22 K 32
K 22
K 32
K 23 K 33
线性方程组为：
K 23 2 F2 K 33 3 F3
1 2 1 1 2
（4）计算单元刚度矩阵 单元面积： A1 A2 (5)弹性矩阵：
D
E 1 2
1 0
1 0
0 3 1 0 3E 0 1 3 0 8 1 0 0 1 2
(6)几何矩阵：
B Bi
Bj
Bm
0 ci bi
b i 1 Bi 0 2A ci
2 u 2 q / 2 7 4 4 4 13 2 12 v 0 3Eh 2 7 0 u 3 q / 2 32 4 2 13 v3 0 2 12 0 u 2 1.98 v 2 q 0.36 u 3 Eh 1.79 v3 0.024
计算系数： 对于单元 1：
x1 0, y1 0,
a2 x3 y1 x1 y3 0, a3 x1 y 2 x2 y1 0, E K 332h 74
有限元课程实训结课上机参考例题
有限元课程实训结课上机参考例题题 1：图1所示薄板左边固定，右边受均布压力P=100Kn/m 作用，板厚度为0.3cm ；试采用如下方案，对其进行有限元分析，并对结果进行比较。
(1)三节点三角形单元；（2个和200个单元）(2)四节点矩形单元； （1个和50个单元）(3)八节点等参单元。
（1个和20个单元）图 1 题 2：图2所示为一带圆孔的单位厚度（1M ）的正方形平板，在x 方向作用均布压力0.25Mpa ，试用三节点常应变单元和六节点三角形单元对平板进行有限元分析，并对以下几种计算方案的计算结果进行比较：（1） 分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算；（2）分别采用不同数量的三节点常应变单元计算；注：在y 轴上，孔边应力的精确解为：MPa x 75.0-=σ，在x 轴上，孔边应力的精确解为：MPa y 25.0=σ图 2题 3：图3所示为带方孔（边长为80mm）的悬臂梁，其上受部分均布载荷（p=10Kn/m）作用，试采用一种平面单元，对图示两种结构进行有限元分析，并就方孔的布置进行分析比较，如将方孔设计为圆孔，结果有何变化？（板厚为1mm，材料为钢）图 3题 4：图4所示为一隧道断面，其内受均布水压力q，外受土壤均布压力p；试采用不同单元计算断面内的位移及应力，并分别分析q=0或p=0时的位移和应力分布情况。
(材料为钢，隧道几何尺寸和压力大小自行确定)图 4题 5：图5所示一简化直齿轮轮齿截面，高h=60mm，齿根宽b=60mm，齿顶宽c=25mm，齿顶作用力P=10Kn；试采用不同单元分析轮齿上位移及应力分布，并只指出最大应力位置。
图 5题 6：图6所示无限长刚性地基上的三角形大坝，受齐顶的水压力作用，试用三节点常应变单元和六节点三角形单元对坝体进行有限元分析，并对以下几种计算方案进行比较：(1)分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算；(2)分别采用不同数量的三节点常应变单元计算；(3)当选常应变三角单元时，分别采用不同划分方案计算。
第一讲有限元例题
方法：代入已知位移。
1
1 2
Q1,
Q2
,
Q3
0
0
因为 Q1 0
0 6.0 105 2.0105
0 2.0105 2.0 105
QQ12 Q3
K 的第一行与第一列均与0相乘，可以在方程中将其划去。
K 简化成
6.0105 2.0105
2.0105
2.0 105
方程可以降阶为
10
5
QQ12
2.0 105 Q3
Q —— 结构整体节点位移向量
结构外力虚功
Wp
P • Q3
Q1
,
Q2
,
Q3
P1 P2
P3
P1 —未知 P2 0
P3 100 N
结构势能可以表示为
4.0 105
p
1 2
Q1
,
Q2
,
Q3
4.0 0
10
5
4.0 105 6.0 105 2.0 105
1 2
Q1,
Q2
4.0 105 4.0 105
4.0 105 Q1
4.0 105
Q2
1 2
Q2 ,Q3
2.0 105 2.0 105
2.0 105 2.0 105
QQ23
4.0 105
1 2
Q1,
Q2
,
Q3
4.0 0
10
5
4.0 105 4.0 105
0
0 0
QQ12
1
x Le
Q1e
x Le
Q2e
进一步写成矩阵形式有
ux
1
x Le
,
弹性力学有限元分析题
有限元分析练习1.如图所示为一简支梁，高0.6m，宽0.3m，长3m，承受均布荷载15kN/m,弹性模量为E=20X1010Pa,泊松比为μ=0.3。
(1)试将其看着平面应力问题进行有限元分析（应力，应变，位移），并与解析解进行比较分析。
(2)根据有限元计算结果，分析梁的弯曲变形是否符合平截面假定？将高度分别变为2m，0.5m,又如何？(3)如何提高该梁的有限元计算精度，请对比分析。
2.如图所示为一简支梁，高0.5m，宽0.3m，长2m，梁顶面承受均布荷载10kN/m,梁一侧受到集中荷载作用大小为10kN，另一侧受到均布荷载作用为20kN/m.弹性模量为E=3X1010Pa,泊松比为μ=0.2。
（1）分别计算在横向荷载和轴向荷载单独作用下梁的应力、应变和位移情况，并对结果进行讨论分析。
（2）计算在横向和轴向荷载共同作用下，梁的应力、应变和位移情况，并于仅受到横向荷载作用下梁的计算结果进行对比分析。
（3）如何提高梁的有限元计算精度，并对比分析。
3.下图表示一块带圆孔的方板，在x方向受到均布压力80kN/m。
方板边长为0.6m，厚度为0.03m，圆孔的半径为0.02m。
方板的弹性模量为E=2X1011Pa，泊松比为μ=0.3.（1）试进行有限元分析（应力，应变，位移），并与解析解进行比较分析。
（2）如何提高本题有限元计算精度，并对比分析。
（3）如果把圆孔改为边长为0.02m的正方形，是比较两者应力集中程度。
4. 下图表示一块带圆孔的方柱，在x 方向受到均布压力100kN/m 2。
方板边长为0.5m ，圆孔的半径为0.02m 。
方板的弹性模量为E=2X1011Pa ，泊松比为μ=0.2. （1） 假设厚度为无限大进行有限元分析（应力，应变，位移），并与解析解进行比较分析。
（2） 如何提高本题有限元计算精度，并对比分析。
（3） 如果把圆孔改为边长为0.02m 的三角形，是比较两者应力集中程度。
5. 下图为带圆孔的方板，在x 方向受到均布压力120kN/m ，在y 方向受到均布压力为60kN/m 。
(完整版)有限元考试试题及答案
e an dAl l t h i ng si nt he i rb ei n ga re go o2. 如图2所示，有一正方形薄板，沿对角承受压力作用，厚度t=1m ，载荷F=20KN/m ，设泊松比µ=0，材料的弹性模量为E ，试求它的应力分布。
（15分）图23. 图示结点三角形单元的124边作用有均布侧压力q ，单元厚度为t ，求单元的等效结点荷载。
图3图1一、简答题1. 答：1）合理安排单元网格的疏密分布2）为突出重要部位的单元二次划分3）划分单元的个数4）单元形状的合理性5）不同材料界面处及荷载突变点、支承点的单元划分6）曲线边界的处理，应尽可能减小几何误差7）充分利用结构及载荷的对称性，以减少计算量2. 答：形函数应满足的三个条件：a.必须能反映单元的刚体位移，就是位移模式应反映与本单元形变无关的由其它单元形变所引起的位移。
b.能反映单元的常量应变，所谓常量应变，就是与坐标位置无关，单元内所有点都具有相同的应变。
当单元尺寸取小时，则单元中各点的应变趋于相等，也就是单元的形变趋于均匀，因而常量应变就成为应变的主要部分。
c.尽可能反映位移连续性；尽可能反映单元之间位移的连续性，即相邻单元位移协调。
3. 答：含义：所谓的等参数单元，就是在确定单元形状的插值函数和确定单元位移场的插值函数中采用了完全相同的形函数。
意义：构造出一些曲边地高精度单元，以便在给定地精度下，用数目较少地单元，解决工程实际地具体问题。
4. 答：有限单元法是基于变分原理的里兹（Ritz）法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用子有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法．利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，面且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。
有nl⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.0025.025.011212－－－＝＝E k k ⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.0025.0011313－＝＝E k k ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.125.025.05.125.0005.05.00025.075.025.025.075.032222212222E E E E k k k k ＋＝＋＋＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+⎥⎦⎤⎢⎣⎡---5.025.025.0125.025.005.025.0025.05.032312323E E E k k k ＝＋＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡---5.0025.025.022424E k k ＝＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡025.025.00025.0000025.0032522525E E E k k k ＝＋＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.125.025.05.15.00025.075.025.025.075.025.0005.043333313333E E E E k k k k ＝＋＋＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+⎥⎦⎤⎢⎣⎡---125.025.05.05.0025.025.05.025.0025.043533535E E E k k k ＝＋＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡0025.0043636E k k ＝＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡75.025.025.075.024444E k k ＝＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡---25.0025.05.024545E k k ＝＝ ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.125.025.05.175.025.025.075.05.00025.025.0005.045535525555E E E E k k k k ＝＋＋＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡---25.0025.05.045656E k k ＝＝⎥⎦⎤⎢⎣⎡25.0005.046666E k k ＝＝把上面计算出的，…，对号入座放到总刚矩阵中去，于是得到11k 66k []K的具体表达式。
有限元试题及答案
有限元试题及答案一、选择题1. 有限元法是一种数值方法，主要用于求解什么类型的数学问题？A. 线性代数方程B. 微分方程C. 积分方程D. 偏微分方程答案：D2. 在有限元分析中，以下哪项不是网格划分的基本原则？A. 网格应尽量均匀B. 网格应避免交叉C. 网格应尽量小D. 网格应适应几何形状答案：C3. 有限元方法中，单元的局部刚度矩阵可以通过以下哪种方式获得？A. 直接积分B. 矩阵乘法C. 线性插值D. 经验公式答案：A二、填空题1. 有限元方法中，______ 是指将连续的域离散化成有限数量的小单元。
答案：离散化2. 在进行有限元分析时，______ 是指在单元内部使用插值函数来近似求解场变量。
答案：近似3. 有限元法中，______ 是指在单元边界上满足的连续性条件。
答案：边界条件三、简答题1. 简述有限元法的基本步骤。
答案：有限元法的基本步骤包括：（1）定义问题域；（2）离散化问题域，生成网格；（3）为每个单元定义局部坐标系和形状函数；（4）组装全局刚度矩阵和载荷向量；（5）施加边界条件；（6）求解线性代数方程；（7）提取结果并进行后处理。
2. 描述有限元分析中的单元类型有哪些，并简述每种单元的特点。
答案：常见的单元类型包括：（1）一维单元，如杆单元和梁单元，特点是沿一个方向传递力；（2）二维单元，如三角形和四边形单元，特点是在平面内传递力；（3）三维单元，如四面体和六面体单元，特点是在空间内传递力。
每种单元都有其特定的形状函数和刚度矩阵。
四、计算题1. 给定一个简单的一维弹性杆问题，其长度为L，两端固定，中间施加集中力P。
使用有限元法求解该杆的位移和应力分布。
答案：首先，将杆离散化为一个单元。
使用一维杆单元的局部刚度矩阵和形状函数，可以推导出全局刚度矩阵。
然后，施加边界条件，即杆的两端位移为零。
最后，将集中力P转换为等效节点载荷，求解线性代数方程，得到节点位移。
应力可以通过位移和杆的截面特性计算得出。
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【1】图示弹性力学平面问题，采用三角形常应变元，网格划分及单元、节点编号如图1所示。
试求：
(1) 计算系统刚度矩阵的最大带宽；
(2) 根据图中结构的边界约束状态，给出约束节点位移值。
【解】
(1) 相邻节点号的最大差为d = 4；
所以，半带宽为B = 2 ⨯ (4 + 1) = 10。
(2) u1 = 0，v1 = 0，u4 = 0，v4 = 0。
【2】弹性力学平面问题4节点等参元，其单元自由度是多少？单元刚度矩阵是多少阶的？单元刚度矩阵有多少个元素？
【解】平面问题4节点等参元，其单元自由度是4 ⨯2 = 8个；单元刚度矩阵是8 ⨯ 8 阶的，单元刚度矩阵有64个元素。
【3】平面刚架结构梁单元（考虑轴向和横向变形）的自由度是多少？单元刚度矩阵是多少阶的？单元刚度矩阵有多少个元素？
【解】平面刚架结构梁单元（考虑轴向和横向变形）的自由度是2 ⨯ 3 = 6个；单元刚度矩阵是6 ⨯ 6阶的；单元刚度矩阵有36个元素。
【4】已知一等截面直杆中某一微段的起始点坐标为0.5m，终点坐标为0.6m，起始点的位移为0.2mm，终点的位移为0.3mm。
假定直杆内的位移是线性分布的。
求该微段等截面直杆的位移表达式f(x)。
【解】已知：x i = 0.5m, x j= 0.6m, u i = 0.2mm = 0.2⨯10-3m, u j= 0.3mm = 0.3⨯10-3m。
即
【5】已知4节点一维问题中单元①(1, 2)的应力矩阵为
结构总体位移列阵为
求单元①的应力（用矩阵计算）。
【解】由总体结构位移列阵知，单元①的位移列阵为
由{σ} = [C] {∆}e可求得单元①的应力
【6】某结构中单元③的单元应力矩阵
，节点位移列阵为
，
求单元3的应力{σ }。
【解】由{σ} = [C] {∆}e可求得单元③的应力
【7】已知某结构中三角形常应变单元的单元③的应力矩阵与应变矩阵分别为
，
单元厚度t = 1，单元面积A = 0.5，求单元③的刚度矩阵[K]3。
【解】三角形常应变单元的单元刚度矩阵为[K]e = [B]T[C]tA，则
【8】
【9】用矩阵或数组写出下列总体刚度矩阵的带宽存贮元素、变带宽一维存贮元素及辅助数组：
【解】
带宽存贮元素：
变带宽一维存贮元素：
{AK} = {25, 12, -8, 15, 0, 9, 22, 18, -6, 8, 24}
变带宽一维存贮辅助矩阵：
{LA} = {1, 4, 7, 8, 10, 11}
【10】已知某一维问题4个单元的单元定义（2个节点）分别为①：（1，2）、②：（2，3）、③：（3，4）、④：（4，5），这4个单元的单元刚度矩阵分别为
请写出总体刚度矩阵。
【解】
[K] =
【11】已知图4中刚架结构所有杆件的截面相同，且q = 10kN/m，F = 60kN。
试给此刚架结构划分单元（画图表示），说明单元总数，节点总数，自由度数，约束总数，单元荷载数，给出各节点坐标，各单元的单元定义（节点号），单元荷载的数值和分布类型（均布、线性分布）及分布长度，节点荷载数，节点荷载的作用位移序号和节点荷载大小。
图4 题11 图
【解】单元、节点划分及自由度序号、节点坐标如图5所示。
图5 题11 单元划分图
单元总数：3；节点总数：4 ；自由度数：3；约束总数：9；单元荷载数：2；
节点坐标：1（0，0），2（4，0），3（8，0），4（-4，-4）；
单元定义：①（1，2），②（2，3），③（2，4）；
单元荷载：单元1，分布荷载，类型为1（线性，分布长度为单元全长），两端数值均为10kN/m；单元2，集中荷载，类型为3（距左端距离为单元半长），数值为60kN。
节点荷载数为1；节点荷载作用位移序号为3；节点荷载大小为20kN m。