二有限元分析的基本过程.docx

   二 有限元分析的基本过程 
 1  单元 
           有限元 - 连续体的离散化，将整体结构分割为若干基本单元，每个单元有若干节点。单元中的基本物理量 (结构分析 - 位移；热分析 - 温度；电磁分析 - 电位势，磁通量；流体分析 - 流量，等) 用单元节点处的值表示，可以写为： 
             {u} = [P] {ue} 
     其中： 
           {u} - 单元中任意点的物理量值，它是坐标的函数： 
                       {u} = {u (x,y,z)} 
           [P] - 形状函数，与单元形状、节点坐标和节点自由度等有关 
          {ue} - 单元节点的物理量值；对于结构位移法可以是位移、转 
                    角或其对坐标的导数。 
           常用的大型分析软件中基本上是位移+转角。      
结构分析时一些常用单元的节点自由度 (在单元坐标系中) 
     杆元：单元形状为线段，变形形式为拉伸和扭转。 
         在单元坐标系中： 
                节点自由度为 Tx 和 Rx，其中 x  为杆的轴线。 
         在总体坐标系中： 
                三个位移和三个转角 (T1,T2,T3,R1,R2,R3)。 
    梁元：单元形状为线段，变形形式为拉伸、扭转，以及两个垂 
            直于轴线方向的弯曲 
         在单元坐标系中： 
                节点自由度为 Tx,Ty,Tz,Rx,Ry,Rz。其中 x  为梁的 
                轴线，Y,z 为梁截面的两个抗弯惯矩主轴方向。 
         在总体坐标系中： 
                三个位移和三个转角 (T1,T2,T3,R1,R2,R3)。  
   平面单元：三角形或四边形，变形为两个面内位移。 
              节点自由度为 T1,T2。单元坐标系与总体坐标系一致。 
   轴对称单元：三角形或四边形，变形为两个面内位移。 
              节点自由度为 T1,T2。单元坐标系与总体坐标系一致。 
   板壳元：三角形或四边形，变形包括两个面内位移，法向位移 
                  及两个转角 (一般缺少绕法线转角)。 
             在单元坐标系中： 
                 三个位移和三个转角 (Tx,Ty,Tz,Rx,Ry) 
             在总体坐标系中： 
                 三个位移和三个转角 (T1,T2,T3,R1,R2,R3) 
 三维实体：四面体～六面体，三个方向的位移，无转角。 
            节点自由度为三个位移  (T1,T2,T3)，单元坐标系与总 
        体坐标系一致。                

 结构分析时一些特殊单元 
            为了表征结构分析中遇到的一些特殊现象，多数 CAE 软件中都引入了一些特殊的单元，例如： 
            弹簧单元 - 模拟拉压或弯扭弹簧连接 
            阻尼单元 - 模拟阻尼器等结构件 
            质量单元 - 用于处理集中质量 
            接触单元 - 用于处理接触非线性问题 
            间隙单元 - 用于处理接触非线性问题 
            拉索单元 - 用于模拟只受拉不受压的线结构 
            各种连接单元 - 用于模拟结构件之间的不同连接方式，如 
                             铰接、刚性连接等 
            刚体单元 - 将结构的某一部分处理为刚体，可减小计算模 
                              型的规模 
            等

单元形状函数举例  (未必是实际使用的单元)： 
(1) 一维单元 
    a.  杆单元 
     轴向拉伸和扭转：节点位移自由度为 Tx，Rx 
        对 2 节点单元 (线性单元)： 
                   Tx = a0 + a1 * x 
                   Rx = b0 + b1 * x 
           各有 2 个未知数，可以由 2 个节点的位移值确定； 
        对 3 节点单元 (二次单元)： 
                  Tx = a0 + a1 * x + a2 * x2 
                  Rx = b0 + b1 * x + b2 * x2 
           各有 3 个未知数，可以由 3 个节点的位移值确定； 

b. 梁单元 
        拉伸和扭转的形状函数与杆的情况相同； 
        对于弯曲变形 (以单元坐标系 y 向为例)，2 节点单元相应的形状函数为： 
             Ty = c0 + c1*x +c2*x2 + c3*x3 
             由两个节点的 Ty,Rz 可以确定四个未知数； 
       对于 3 节点单元： 
             Ty = c0 + c1*x +c2*x2 + c3*x3 +c4*x4 + c5*x5 
              由 3 个节点的 Ty,Rz 可以确定 6 个未知数； 

(2) 二维单元 
    a.  平面单元 (平面问题，轴对称问题) ，以 Tx 为例 
       三节点三角元： 
                 Tx = a0 + a1*x + a2*y 
           三个未知数可以由三个节点的 Tx 表示； 
        6 节点三角元： 
                 Tx = a0 + a1*x + a2*y + a3*x2 + a4*xy + a5*y2 
            6 个未知数可以由 6 个节点的 Tx 表示； 
        4 节点四边形元： 
                 Tx = a0 + a1*x + a2*y + a3*xy 
            4 个未知数可以由 4 个节点的 Tx 表示； 
        8 节点四边形元： 
                 Tx = a0 + a1*x + a2*y + a3*x2 + a4*xy + a5*y2 
                         + a6*(x3 + xy2) + a7*(x2y + y3) 
            8 个未知数可以由 8 个节点的 Tx 表示； 

上面使用的简单多项式，对于 4 节点或 8 节点四边形 (特别是使用简单多项式的 8 节点单元，三次项缺失较多)，使用效果往往不好。 
           实际使用的是 "等参数单元"，通过曲线坐标变换，将任意三角形或四边形变换为等参数坐标系中的正三角形或正方形。然后用 “内插函数” 来构造形状函数。 

(2) 二维单元 (续) 
    b.  弯曲单元 (板、壳问题) 
         平面内的变形与平面问题相同，主要考虑法向弯曲变形 -  Tz，每个节点有三个弯曲自由度：Tz Rx, Ry (法向位移和两个转角)。 
         三节点三角元： 
                 Tz = a0 + a1*x + a2*y + a3*x2 + a4*xy + a5*y2 
                         + a6*x3 + a7*(x2y + xy2) + a8*y3 
             9 个未知数可以由三个节点的 Tz, Rx, Ry 表示。 
            这是一个不完整的三次多项式，实际使用的是完整的三次多项式，然后添加约束条件消除多出来的一个未知数。 
          4 节点四边形元： 
                  Tz = a0 + a1*x + a2*y + a3*x2 + a4*xy + a5*y2 
                         + a6*x3 + a7*x2y + a8*xy2 + a9*y3 + 2 个四次项 
              12 个未知数可以由四个节点的 Tz, Rx, Ry 表示。这是一个不完整的四次多项式，效果较差，实际使用的是 "等参数单元"。 
             同样可以构造 "高阶" 单元 (6 节点三角元、8 节点四边形单元)。

(3) 三维实体单元 
       每个节点三个自由度：Tx,Ty,Tz，一般情况，单元坐标系 x,y,z 与总体坐标系 X,Y,Z 相同。 
     a. 四面体单元 (以 Tx 为例) 
         4 节点单元： 
             Tx = a0 + a1*x + a2*y + a3*z 
         四个未知数由四个节点的 Tx 确定。 
         10 节点单元 (增加 6 个边的中点)： 
             Tx = a0 + a1*x + a2*y + a3*z + a4*x2 + a5*y2 + 
                     a6*z2 + a7*xy + a8*yz + a9*zx 
         10个未知数由 10 个节点的 Tx 确定。   

    b. 六面体单元 (以 Tx 为例) 
         8 节点单元 (直观的例子，实际用 "等参数单元")： 
            Tx = a0 + a1*x + a2*y + a3*z + a4*x2 + a5*y2 + 
                     a6*z2 + a7*(xy + yz + zx) 
         8 个未知数由 8 个节点的 Tx 确定。 
         20 节点六面体单元： 
            使用完整的三次多项式，共 20 个未知数，由 20 个节点的 Tx 确定。实际中使用的是 "等参数单元"。

        理论上，计算结果应该随着网格的细化而收敛到精确值。但实践发现，单元的形状函数对其计算结果和收敛性有较大影响。经数学界研究发现，单元的构造必须满足相容性 (协调性) 和完备性要求，才能保证计算结果的收敛性。 
    (1)   单元的完备性要求： 
           对一般的多项式形式的单元形状函数，必须是与所解决问题的 "应变-位移" 关系式中的最高阶导数相同阶数的完整多项式。 
           与 "应变-位移" 关系式中的最高阶导数相同阶数的多项式，在 "应变-位移" 关系式中微分后得到常应变项。因此，如果该多项式不完整，就会丢失某些常应变项，导致结果不准确。 
           这一条可以归结为：位移函数必须包含全部刚体位移和常应变项。

   (2)  单元的相容性 (协调性) 要求： 
           单元的位移函数必须包含所解决问题的 "应变-位移" 关系式中的最高阶导数低一阶的连续性。即，在相邻单元的边界上，该导数必须连续。 
           如一般弹性问题 (平面问题、轴对称问题和三维弹性问题)，其 “应变-位移” 关系式中只包括位移对坐标的一阶导数，只要求在单元边界上位移连续。因此其位移形状函数只要包含坐标的一次多项式即可 (Tx = a0 + a1*x + a2*y + a3*z ...)。 
           对板弯曲问题，"应变-位移" 关系式包含位移对坐标的二次导数，在单元边界上需要位移和转角都连续，因而板弯曲单元的节点自由度至少需要三个自由度：Tz,Rx,Ry。这也造成了难以构造简单而又满意的板弯曲单元。 
           在满足相容性 (协调性) 要求的情况下，随着网格的细化，结果是单调收敛的。如果只满足完备性，而不满足相容性 (如板弯曲问题)，解有时也能收敛，但一般不是单调收敛。

2  单元特性的推导 (略)

3  单元组集 
       将所有单元的应变能求和，得到整个结构的应变能： 
           U = S Ue = 1/2 {u}T [K] {u} 
        其中 {u} 是整个结构所有节点的总体位移自由度按顺序排列所成,称为结构位移矢量；[K] 是将各单元的刚度矩阵对应相同总体自由度的元素叠加后得到。
       考虑两个杆单元的情况 (下页图)，各单元的节点位移矢量和单元刚度矩阵用总体自由度序号表示如下：

       在计算整个结构的应变能时，将两个单元刚度矩阵中具有相同下标的元素进行求和，例如 K4,4 ~ K4,6、K5,4 ~ K5,6、K6,4 ~ K6,6，从而得到整个结构的刚度矩阵。

如果单元中作用有外力，可以根据静力等效原理把它们分配到单元的节点上：

        然后可以求出节点外力在节点位移上所做的功： 
             V = [F] {u} 
        其中 [F] 为所有节点的外力矢量 (每个节点三个分量)，{u} 为所有节点的位移矢量 (每个节点三个分量)。
        然后，根据最小势能原理，真实位移应该使总势能取极小值： 
           总势能为： 
               P = U - V = 1/2 {u}T [K] {u} - [F] {u} 
           对 {u} 取极值，即总势能对 {u} 的一次导数为零：

      由此得到： 
           [K] {u} - {F}  = 0 
      或 
           [K] {u} = {F} 

         这就是待求解的有限元代数方程。由于将复杂的微分方程转换为有限个数的代数方程，从而使问题的求解变得容易。 
         不过，现在还不能马上求解，因为数学上已经证明，没有约束的结构的刚度矩阵是一个奇异矩阵 (行列式为零)，从物理上来说，即存在刚体运动，及时很小的外力也能够造成无穷大的位移。为了求解，必须对结构施加足够的约束以消除所有可能的刚体运动。 
          常用的约束条件有： 
              指定节点位移 (通常是零)； 
              弹性约束 (弹性地基) 
          等。 
          缺乏足够的约束常常是求解失败的主要原因之一。

          在约束自由度上会产生约束反力，对于结构而言，约束反力也是一种外力，以 {R} 表示约束反力，整个结构的方程可以写成： 
                  [K] {u} = {F} + {R} 
          其中反力 {R} 仅在约束自由度上不为零。 
          对整个结构的位移自由度重新排序，将已知位移自由度放到最后，分别以下标 f 和 r 代表未知和已知的自由度，则有： 

       展开后分解为两个方程： 
           [Kff] {uf} = {Ff} 
           [Krf] {uf} + [Krr] {ur}  = {Fr} + {R} 
       第一个方程用来求解未知的位移自由度，第二个方程改写为： 
           {R} = {Fr} - [Krf] {uf} - [Krr] {ur} 
        用来计算约束反力。 
        在求出整个结构的节点位移后，可以回到各单元，计算单元的应力、应变等其它所需的物理量 (通常称为数据恢复)。至于节点应力、应变等物理量，通常用与节点相邻的单元的平均值代表。