有限元理论与方法-第1讲

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1、青岛大学讲稿学院：机电工程学院教研室：车辆工程课程名称：有限元法基础任课教师：张洪信青岛大学教务处制8讲授内容备注第1讲(第1周)第一章有限元法及ANSYS概述CAE即计算机辅助工程，指工程设计中的分析计算与仿真。CAE软件可分为专用和通用两类，前者主要是针对特定类型的工程或产品用于产品性能分析、预测和优化的软件。它以在某个领域中的应用深入而见长，如美国ETA公司的汽车专用CAE软件LS／DYNA3D及ETA／FEMB等。通用软件可对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新。它以覆盖的应用范围广而著称，如ANSYS、PATRAN、NASTR

2、AN和MARC等。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法（FiniteElementMethod，FEM）、边界元法（BoundaryElementMethod，BEM）和有限差分法（FiniteDifferenceMethod，FDM）等，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。作为一种离散化的数值解法，有限单元法首先在结构分析，然后又在其他领域中得到广泛应用。1.1发展与现状离散化的思想可以追溯到20世纪40年代。1941年A.Hrennikoff首次提出用离散元素法求解弹性力学问题，当时仅限于用杆系结构来构造离散模型，但能很好地说明有限元的思想。如果原结

3、构是杆系，这种方法的解是精确的，发展到现在就是大家熟知的矩阵分析法。究其实质这还不能说就是有限单元法的思想，但结合以后的有限元理论，统称为广义有限单元法。1943年R．Courant在求解扭转问题时为了表征翘曲函数而将截面分成若干三角形区域，在各三角形区域设定一个线性的翘曲函数，这实质上就是有限单元法的基本思想（对里兹法的推广），这一思想真正用于工程中是在电子计算机出现后。20世纪50年代因航空工业的需要，美国波音公司的专家首次采用三节点三角形单元，将矩阵位移法用到平面问题上。同时，联邦德国斯图加特大学的J.H.8Argyris教授发表了一组能量原理与矩阵分析的论文，为这一方法的理论基

4、础作出了杰出贡献。1960年美国的R.W.Clough教授在一篇题为“平面应力分析的有限单元法”的论文中首先使用“有限单元法（theFiniteElementMethod）”一词，此后这一名称得到广泛承认。20世纪60年代有限单元法发展迅速，除力学界外，许多数学家也参与了这一工作，奠定了有限单元法的理论基础，搞清了有限单元法与变分法之间的关系，发展了各种各样的单元模式，扩大了有限单元法的应用范围。20世纪70年代以来，有限单元法进一步得到蓬勃发展，其应用范围扩展到所有工程领域，成为连续介质问题数值解法中最活跃的分支。由变分法有限元扩展到加权残数法与能量平衡法有限元，由弹性力学平面问题扩

5、展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，由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、粘塑性和复合材料等，由结构分析扩展到结构优化乃至于设计自动化，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。它使许多复杂的工程分析问题迎刃而解。有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析法。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析。网格划分中每一个小的块体称为单

6、元。确定单元形状、单元之间相互联结的点称为节点。单元上节点处的结构内力为节点力，外力（有集中力、分布力等）为节点荷载。数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。到20世纪80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达到几百种，其中著名的有：ANSYS，NASTRAN，ABAQUS，ASKA，ADINA，SAP与COSMOS等，它们功能越来越完善，不仅包含多种条件下的有限元分析程序，而且带有功能强大的前处理和后处理程序。由于有限元通用程序使用方便、计算精度高，计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。大型通用有限元分析软件不断吸取计算方法和计算机技术的最新进展，

7、将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。8ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/E、UG、I－DEAS、CADDS及AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡