结构有限元发展.docVIP

结构有限元发展情况： “有限单元法”这一名称是克拉夫（Clough）在1960年首先引用的。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它虽然是50年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用过的一种有效的数值分析方法，但是，由于它所依据理论的普遍性，已经能够成功地用来求解其它工程领域中的许多问题[1]。随后很快广泛的应用于求应力场、位移场、电磁场、温度场、流体场等连续性问题。涉及了很多的工程学科，如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、流体力学等。在机械工程领域，有限元被广泛的应用于机构、振动和传热问题上。 有限元的发展趋势 纵观当今国际上有限元软件的发展情况，可看出有限元软件的一些发展趋势：与CAD软件的无缝集成；更为强大的网格处理能力；由求解线性问题发展到求解非线性问题；由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解；程序面向用户开放性等。 有限元分析的三个阶段 前处理阶段：将整体结构或其一部分简化为理想的数学力学模型，用离散化的单元代替连续实体结构或求解区域；主要包括：定义分析的类型、添加材料属性、添加载荷和约束、网格的划分等…… 分析求解阶段：运用有限元法对结构离散模型进行分析计算，这个过程是由计算机来完成的。 后处理阶段：对计算结果进行分析、整理和归纳。 有限元分析的七个步骤 1、结构力学模型的简化 从实际的问题中抽象出力学模型，对实际问题的边界条件、约束条件和外载荷条件进行简化。抽象简化出来的力学模型应该能尽可能的反映真实的实际问题，合理的模型既能保证计算结构的精度，又不会带来结构上的过分复杂（模型的建立在有限元分析的过程中是一个比较重要的阶段）。 2、结构的离散化 所谓结构的离散化就是将连续的结构体划分为有限个单元体以代替原来的结构。这个过程也就是网格的划分，网格划分是建立有限元模型的中心工作，模型的合理性很大程度上可以通过所划分的网格形式反映出来。 3、位移模式的选择 为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析时就要对单元体位移的分布进行一定的假设，假设位移是坐标的某种简单函数，这个函数就是位移模式或者位移函数。 一般情况下选择多项式作为位移模式，因为所有的光滑函数的局部都可以用多项式逼近。 4、分析单元的力学特性 单元特性的分析包括以下三部分的内容： （1）利用几何方程，用位移模式导出用节点位移表示单元应变的关系式。 （2）利用物理方程，由应变表达式导出用节点位移表示单元应力的关系式。 （3）利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，也就是单元的刚度方程。 5、计算等效节点力 弹性体经过离散后，假定力是通过节点在单元体之间进行传递的。但是，实际的连续体，力是通过单元的公共边界进行传递的。因此，作用在单元上的各种力就需要等效移植到节点上去，也就是用等效的节点力来代替单元上的力。移植的方法是按照虚功等效原则进行的。 6、集合所有单元的刚度方程，建立这个结构的平衡方程 这个过程包括两个方面的内容：一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵合成总的载荷列阵。集合所依据的原则是要求相邻的单元在公共节点处的位移相等。 7、求解未知节点的位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组，解出未知位移。在线弹性平衡问题中，可以根据方程组的具体特点选择合适的计算方法。对于非线性问题，则通过一系列的步骤，并逐步修正刚度矩阵或载荷矩阵，才能获得解答。最后，利用物理方程和求出的节点位移，计算各单元的应力，并加以整理得出所要的结果。 用户使用情况 大部分研究所已经具有ansys、nastran结构有限元分析软件，但随着对产品性能要求的提高非线性分析慢慢被各个研究所重视起来，很多单位开始对产品的设计进行非线性分析来增加可靠度。 723、706、705、719等研究所 热分析发展情况： 目前，越来越多的CFD热分析软件逐渐面世，在我们工程设计中起着一定的作用，然而，在诸多的传统CFD热分析软件中，存在着以下几个方面的问题： 1）这些CFD热分析软件往往是给分析专家使用的，需要很高深的CFD热分析专业背景和工程经验； 2）从开始学习到能做出一定水平的分析，往往需要经历至少半年，甚至一年以上的时间； 3）CAD接口差，难于直接利用已有的CAD本体模型划分网格，往往需要大量的修补工作，甚至往往需要在该CFD热分析自带的前处理工具中进行建模； 4）分析周期长，难以进行设计阶段的方案选型，而往往应用在方案确定后的验证阶段； 5）分析结果难于在产品开发团队间发布和共享。 随着技术发展，热分析能够提供一个前端CFD热分析解决方案，易学易用，使得CFD热分析成为产品成为开发设计流程中的一个环节。 以后热分析的发展趋势是： 1） 让CFD融入产品设计的主流程，成为