有限元分析常見基本理論知識問答集錦

2016-12-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1. 訴述有限元法的定義

答:有限元法是近似求解一般連續(xù)場問題的數(shù)值方法

2. 有限元法的基本思想是什么

答:首先,將表示結構的連續(xù)離散為若干個子域,單元之間通過其邊界上的節(jié)點連接成組合體。其次,用每個單元內(nèi)所假設的近似函數(shù)分片地表示求解域內(nèi)待求的未知廠變量。

3. 有限元法的分類和基本步驟有哪些

答:有限元法可分為:位移法、力法和混合法三類,其基本步驟為:結構的離散化,單元分析,單元集成,引入約束條件,求解線性方程組,得出節(jié)點位移。

4. 有限元法有哪些優(yōu)缺點

答:優(yōu)點:有限元法可以模擬各種幾何形狀復雜的結構,得出其近似解;通過計算機程序,可以廣泛地應用于各種場合;可以從其他CAD軟件中導入建好的模型;數(shù)學處理比較方便,對復雜形狀的結構也能適用;有限元法和優(yōu)化設計方法相結合,以便發(fā)揮各自的優(yōu)點。

缺點:有限元計算,尤其是復雜問題的分析計算,所耗費的計算時間、內(nèi)存和磁盤空間等計算資源是相當驚人的。對無限求解域問題沒有較好的處理辦法。盡管現(xiàn)有的有限元軟件多數(shù)使用了網(wǎng)絡自適應技術,但在具體應用時,采用什么類型的單元、多大的網(wǎng)絡密度等都要完全依賴適用者的經(jīng)驗。

5. 梁單元和平面鋼架結構單元的自由度由什么確定

答:每個節(jié)點上有幾個節(jié)點位移分量,就稱每個節(jié)點有幾個自由度。

6. 簡述單元剛度矩陣的性質(zhì)和矩陣元素的物理意義

答:單元剛度矩陣是描述單元節(jié)點力和節(jié)點位移之間關系的矩陣;單元剛度矩陣中元素aml的物理意義為單元第L個節(jié)點位移分量等于1,其他節(jié)點位移分量等于0時,對應的第m個節(jié)點力分量。

7. 有限元法基本方程中的每一項的意義是什么

答:整個結構的節(jié)點載荷列陣(外載荷、約束力),整個結構的節(jié)點位移列陣,結構的整體剛度矩陣,又稱總剛度矩陣。

8. 位移邊界條件和載荷邊界條件的意義是什么

答:由于剛度矩陣的線性相關性不能得到解,從而引入邊界條件。

9. 簡述整體剛度矩陣的性質(zhì)和特點

答:對稱性;奇異性;稀疏性;對角線上的元素恒為正。

10. 簡述整體坐標的概念

答:單元剛度矩陣的坐標變換式把平面剛架的所有單元在局部坐標系X’Y’Z’下的單元剛度矩陣 變換到一個統(tǒng)一的坐標系xOy下,這個統(tǒng)一的坐標系xOy稱為整體坐標系。

11. 簡述平面鋼架問題有限元法的基本過程

答:力學模型的確定,結構的離散化,計算載荷的等效節(jié)點力,計算各單元的剛度矩陣,組集整體剛度矩陣,施加邊界約束條件,求解降價的有限元基本方程,求解單元應力,計算結果的輸出。

12. 彈性力學的基本假設是什么。

答:連續(xù)性假定,彈性假定,均勻性和各向同性假定,小變形假定,無初應力假定。

13. 寫出彈性力學中平面問題的幾何方程、物理方程及平衡方程。并說明它們分別表示什么關系。

答:幾何方程描述的是應變與位移的關系;物理方程描述的是應力分量和應變分量之間的關系;平衡方程描述的是應力與體力之間的關系。

14. 簡述圣維南原理。

答:把物體一小部分上的面力變換為分布不同但靜力等效的面力,但影響近處的應力分量,而不影響遠處的應力。“局部影響原理”

15.平面應力問題和平面應變問題的特點和區(qū)別各是什么?試各舉出一個典型平面應力和平面應變的問題的實例。

答:平面應力問題的特點:長、寬尺寸遠大于厚度,沿板面受有平行板的面力,且沿厚度均勻分布,體力平行于板面且不沿厚度變化,在平板的前后表面上無外力作用。

平面應變問題的特點:Z向尺寸遠大于x、y向尺寸,且與z軸垂直的各個橫截面尺寸都相同,受有平行于橫截面且不沿z向變化的外載荷,約束條件沿z向也不變,即所有內(nèi)在因素的外來作用都不沿長度變化。區(qū)別:平面應力問題中z方向上應力為零,平面應變問題中z方向上應變?yōu)榱?、應力不為零?

16. 三角形常應變單元的特點是什么?矩形單元的特點是什么?寫出它們的位移模式。

答:三角形單元具有適應性強的優(yōu)點,較容易進行網(wǎng)絡劃分和逼近邊界形狀,應用比較靈活。其缺點是它的位移模式是線性函數(shù),單元應力和應變都是常數(shù),精度不夠理想。

矩形單元的位移模式是雙線性函數(shù),單元的應力、應變式線性變化的,具有精度較高,形狀規(guī)整,便于實現(xiàn)計算機自動劃分等優(yōu)點,缺點是單元不能適應曲線邊界和斜邊界,也不能隨意改變大小,適用性非常有限。

17. 彈性力學和材料力學相比,其研究方法和對象有什么不同。

答:研究對象:材料力學主要研究桿件,如柱體、梁和軸,在拉壓、剪切、彎曲和扭轉等作用下的應力、形變和位移。彈性力學研究各種形狀的彈性體,除桿件外,還研究平面體、空間體,板和殼等。因此,彈性力學的研究對象要廣泛得多。

研究方法:彈性力學和材料力學既有相似之外,又有一定區(qū)別。彈性力學研究問題,在彈性體區(qū)域內(nèi)必須嚴格考慮靜力學、幾何學和物理學三方面條件,在邊界上嚴格考慮受力條件或約束條件,由此建立微分方程和邊界條件進行求解,得出較精確的解答。而材料力學雖然也考慮這幾方面的條件,但不是十分嚴格的,材料力學只研究和適用于桿件問題。

18. 寫出單元剛度矩陣表達式、并說明單元剛度與哪些因素有關。

答: 單元剛度矩陣與節(jié)點力坐標變換矩陣, 局部坐標系下的單元剛度矩陣,節(jié)點位移有關的坐標變換矩陣。

19. 如何由單元剛度矩陣組建整體剛度矩陣(疊加法)?

答:(1)把單元剛度矩陣 擴展成單元貢獻矩陣,把單元剛度矩陣中的子塊按其在整體剛度矩陣中的位置排列,空白處用零子塊填充。(2)把單元的貢獻矩陣 的對應列的子塊相疊加,即可得出整體剛度矩陣。

20. 整體剛度矩陣的性質(zhì)。

答:(1)整體剛度矩陣 中每一列元素的物理意義為:欲使彈性體的某一節(jié)點沿坐標方形發(fā)生單位為移,而其他節(jié)點都保持為零的變形狀態(tài),在各節(jié)點上所需要施加的節(jié)點力;(2)整體剛度矩陣中的主對角元素總是正的;(3)整體剛度矩陣是一個對稱陣;(4)整體剛度矩陣式一個呈帶狀分布的稀疏性矩陣。(5)整體剛度矩陣式一個奇異陣,在排除剛體位移后,他是正定陣。

21. 簡述形函數(shù)的概念和性質(zhì)。

答: 形函數(shù)式中(i,j,m可輪換),為三角形單元的面積。形函數(shù)的性質(zhì)有:

(1) 形函數(shù)單元節(jié)點上的值,具有“本點為一、他點為零”的性質(zhì);

(2) 在單元的任一節(jié)點上,三角函數(shù)之和等于1;

(3) 三角形單元任意一條邊上的形函數(shù),僅與該端點節(jié)點坐標有關,而與另外一個節(jié)點坐標無關;

(4) 型函數(shù)的值在0~1之間變換。

22. 有限元分析的解題步驟。

答:(1) 力學模型的確定;

(2) 結構的離散化;

(3) 計算載荷的等效節(jié)點力;

(4) 計算各單元的剛度矩陣;

(5) 組集整體剛度矩陣;

(6) 施加便捷約束條件;

(7) 求解降階的有限元基本方程;

(8) 求解單元應力;

(9) 計算結果的輸出。

23. 結構的網(wǎng)格劃分應注意哪些問題.如何對其進行節(jié)點編號。才能使半帶寬最小。

答:一般首選三角形單元或等參元。對平直邊界可選用矩形單元,也可以同時選用兩種或兩種以上的單元。一般來說,集中力,集中力偶,分布在和強度的突變點,分布載荷與自由邊界的分界點,支撐點都應該取為節(jié)點,相鄰節(jié)點的號碼差盡可能最小才能使半帶寬最小

24. 為了保證解答的收斂性,單元位數(shù)模式必須滿足什么條件?

答:(1) 位移模式必須包含單元剛體位移;(2) 位移模式必須包含單元的常應變;(3) 位移模式在單元內(nèi)要連續(xù),且唯一在相鄰單元之間要協(xié)調(diào)。

25 有限元分析求得的位移解收斂于真實解得下界的條件。

答:(1) 位移模式必須包含單元的剛體位移;(2) 位移模式必須包含單元的常應變;(3) 位移模式在單元內(nèi)要連續(xù),且位移在相鄰單元之間要協(xié)調(diào)。

26. 簡述等參數(shù)單元的概念。

答:坐標變換中采用節(jié)點參數(shù)的個數(shù)等于位移模式中節(jié)點參數(shù)的個數(shù),這種單元稱為等參單元。

27. 有限元法中等參數(shù)單元的主要優(yōu)點是什么?

答:(1) 應用范圍廣。在平面或空間連續(xù)體,桿系結構和板殼問題中都可應用。

(2) 將不規(guī)則的單元變化為規(guī)則的單元后,易于構造位移模式。

(3) 在原結構中可以采用不規(guī)則單元,易于適用邊界的形狀和改變單元的大小。

(4) 可以靈活的增減節(jié)點,容易構造各種過度單元。

(5) 推導過程具有通用性。一維,二維三維的推導過程基本相同。

28. 簡述四節(jié)點四邊形等參數(shù)單元的平面問題分析過程。

答:(1) 通過整體坐標系和局部坐標系的映射關系得到四節(jié)點四邊形等參單元的母單元,并選取單元的唯一模式;

(2) 通過坐標變換和等參元確定平面四節(jié)點四邊形等參數(shù)單元的幾何形狀和位移模式;

(3) 將四節(jié)點四邊形等參數(shù)單元的位移模式代入平面問題的幾何方程,得到單元應變分量的計算式,再將單元應變代入平面問題的物理方程,得到平面四節(jié)點等參數(shù)單元的應力矩陣;

(4) 用虛功原理球的單元剛度矩陣,最后用高斯積分法計算完成。

29. 試分析平面八節(jié)點曲線四邊形等參數(shù)單元的位移在兩單元公共邊上的連續(xù)性。

答:位移模式

30. 為什么等參數(shù)單元要采用自然坐標來表示形函數(shù)?

答:簡化計算

31. 為什么要引入雅可比矩陣?

答:得到形函數(shù)的偏導關系。

32.ANSYS軟件主要包括哪些部分?各部分的作用是什么?

答:(1) 前處理模塊:提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)絡劃分工具,用戶可以方便地構造有限元模型。

(2) 分析計算模塊:包括結構分析、流體力學分析、磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多種物理場的耦合分析,可以模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。

(3) 后處理模塊:可將計算后果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來,也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示出來或輸出。

33.ANSYS軟件提供的分析類型有哪些?

答:結構靜力分析、機構動力分析、結構非線性分析、動力學分析、熱分析、流體力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析。

34.簡述ANSYS軟件分析靜力學問題的基本流程。

答:(1) 前處理器:

• 定義單元類型,

• 定義實常數(shù),

• 定義材料屬性,

• 創(chuàng)建實體幾何模型,

• 劃分網(wǎng)絡;

(2) 求解器:

• 定義分析類型,

• 施加載荷和位移約束條件,

• 求解;

3.一般后處理器。

補充:

1. 滿足保證收斂是要求選取位移模式中的(1)、(2)條件的單元稱為完備單元,把滿足條件(3)的稱為協(xié)調(diào)單元或保持單元。

2. 節(jié)點編號的選取原則:在進行編號時,要盡量使同一單元的相鄰節(jié)點的號碼差盡可能小,一邊最大限度地縮小剛度矩陣的帶寬,節(jié)省存儲、提高計算效率。

3. 三角形單元和矩形單元中待定常變量反映的是剛體位移,a2x,a3y,a5x,a6y反映的是常應變。

4. 三角形三節(jié)點單元的位移是連續(xù)的,應變和應力在單元內(nèi)是常數(shù),因而其相鄰單元將具有不同的應力和應變,即在單元的公共邊界上和應變的值將會有突變。矩形單元的邊界上,位移是線性變化的,顯然,在兩個相鄰矩形單元的公共邊界上,其位移是連續(xù)的。

5. 節(jié)點的選用原則:一般說,集中力、集中力偶、分布載荷強度的突變點、分布載荷與自由邊界的分界點、支承點都能贏取為節(jié)點。

6. 單元的劃分原則:

(1) 劃分單元的數(shù)目,視要求的計算精度和計算機的性能而定。

(2) 單元的大小,可根據(jù)部位的不同而有所不同。

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