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本书以有限元法分析流程为主线,阐述有限元基本原理;以MATLAB为编程平台,阐述有限元程序设计的思路与实现。
本书共分10章,包括绪论、弹性力学基础、平面三角形单元、平面四边形单元与收敛准则、轴对称问题、空间问题、杆系结构、平板弯曲问题、有限元分析中的几个特殊问题、材料非线性问题,着重介绍典型单元的位移函数构造、刚度矩阵、等效节点载荷等有限元关键步骤的表达格式及应用。详细讲述平面三角形单元、四节点等参单元、轴对称三角形单元、桁架结构等四类MATLAB程序功能、程序流程图,提供58个二维码,可通过手机扫描查看或下载相应程序的源代码、模型数据、分析结果文件、变形及应力云图。
本书可作为高等院校力学、机械、土木、交通工程等相关专业高年级本科生和研究生的教材,也可用于相关专业教师、科研及工程技术人员进行有限元分析和程序设计的参考书。
前言
第1章绪论
1.1概述1
1.2有限元法的基本思想2
1.3有限元法的特点3
1.4有限元法的主要步骤 4
习题1 8
第2章弹性力学基础
2.1概述9
2.1.1弹性力学的基本假设9
2.1.2几个基本概念10
2.2弹性力学基本方程13
2.2.1平衡方程13
2.2.2物理方程13
2.2.3几何方程14
2.2.4变形协调方程15
2.2.5边界条件15
2.3弹性力学平面问题16
2.3.1平面应力问题16
2.3.2平面应变问题17
2.3.3平面问题的平衡方程与几何方程18
2.3.4平面问题的物理方程19
2.3.5平面问题的协调方程20
2.3.6边界条件21
2.4能量原理21
2.4.1弹性体的应变能22
2.4.2位移变分原理与最小势能原理23
2.4.3瑞利-里茨法26
习题2 28
第3章平面三角形单元
3.1建立有限元模型30
3.1.1划分有限元模型网格应注意的问题30
3.1.2有限元模型数据31
3.2位移模式34
3.2.1位移模式34
3.2.2面积坐标与形函数36
3.3单元刚度矩阵38
3.3.1单元上任意一点的应变38
3.3.2单元上任意一点的应力39
3.3.3单元的应变能及单元刚度矩阵40
3.4等效节点载荷41
3.4.1外力势能41
3.4.2体力的等效节点载荷42
3.4.3面力的等效节点载荷43
3.5整体分析46
3.5.1结构的总势能47
3.5.2结构的总刚度矩阵47
3.5.3结构总的载荷矢量与载荷工况49
3.6有限元方程及其求解方法50
3.6.1有限元方程50
3.6.2置大数法或乘大数法51
3.6.3置“1”法52
3.6.4降阶法52
3.7单元应力的计算及处理53
3.7.1单元应力的计算53
3.7.2内部点应力的处理54
3.7.3边界上应力的处理55
3.8平面三角形单元有限元的MATLAB程序55
3.8.1程序总体功能设定及主程序函数55
3.8.2文件管理函数57
3.8.3有限元模型数据输入函数58
3.8.4显示有限元模型函数62
3.8.5计算结构总刚度矩阵函数62
3.8.6结构总载荷矢量函数64
3.8.7求解有限元方程函数65
3.8.8计算应力的功能函数66
3.8.9平面三角形单元后处理函数68
3.9应用算例68
3.9.1手算案例68
3.9.2程序应用算例73
习题3 76
第4章平面四边形单元与收敛准则
4.1矩形单元79
4.1.1位移模式79
4.1.2单元刚度矩阵与等效节点载荷80
4.1.3整体坐标系下的单元分析82
4.2有限元解答的收敛性准则84
4.2.1产生误差的原因84
4.2.2收敛准则84
4.2.3位移法有限元解的下限性86
4.2.4位移模式多项式的选择86
4.3高斯积分90
4.3.1一维高斯积分90
4.3.2二维和三维高斯积分93
4.3.3高斯积分的程序函数94
4.4平面四节点等参单元95
4.4.1坐标变换95
4.4.2位移模式97
4.4.3应变矩阵与雅可比矩阵98
4.4.4等参变换的条件100
4.4.5单元刚度矩阵102
4.4.6等效节点载荷104
4.4.7等参单元应力的计算106
4.5平面四节点等参单元的MATLAB程序107
4.5.1平面四节点等参单元程序的主功能函数107
4.5.2计算结构总刚度矩阵程序108
4.5.3计算结构总载荷矢量函数109
4.5.4计算等参单元应力函数111
4.5.5平面四节点等参单元程序的应用112
4.6高阶单元简介114
4.6.1三角形单元族114
4.6.2拉格朗日族四边形单元115
4.6.3巧凑边点族四边形单元116
4.6.4Wilson非协调元117
4.7单元类型及单元尺寸对计算精度的影响119
4.7.1工程案例的数值结果比较119
4.7.2单元位移模式与计算精度再讨论121
习题4 123
第5章轴对称问题
5.1轴对称问题概述126
5.1.1基本变量127
5.1.2基本方程128
5.2轴对称问题的三角形单元128
5.2.1位移模式129
5.2.2单元刚度矩阵130
5.2.3等效节点载荷的计算133
5.3轴对称问题的等参单元136
5.3.1几何模式与位移模式136
5.3.2单元刚度矩阵137
5.3.3等效节点载荷的计算138
5.4轴对称三角形单元的MATLAB程序139
5.4.1程序功能与主函数程序139
5.4.2轴对称三角形单元的模型数据格式140
5.4.3总刚度矩阵函数141
5.4.4节点载荷矢量函数141
5.4.5求解有限元方程函数143
5.4.6计算单元应力函数143
5.5工程案例143
5.5.1轴对称压力容器143
5.5.2圆形垂直载荷作用下的弹性半空间144
习题5 146
第6章空间问题
6.1空间问题概述149
6.2四面体单元150
6.2.1单元位移函数150
6.2.2单元应变矩阵和单元刚度矩阵152
6.2.3等效节点载荷154
6.3六面体等参单元154
6.3.1坐标变换155
6.3.2位移模式156
6.3.3单元应变矩阵和单元刚度矩阵156
6.3.4等效节点载荷157
习题6 159
第7章杆系结构
7.1杆件结构的基本知识161
7.1.1基本量的描述161
7.1.2杆系结构总势能的一般表达163
7.2局部坐标系下的杆件单元分析164
7.2.1拉压杆单元164
7.2.2扭转杆单元166
7.2.3只计弯曲的平面梁单元167
7.2.4平面一般梁单元170
7.2.5空间梁单元172
7.3杆系结构的整体分析174
7.3.1单位矢量间的转换关系174
7.3.2不同坐标系下各物理量的关系175
7.4特殊边界条件处理178
7.4.1弹性支承点179
7.4.2斜支承边界179
7.4.3主从节点关系180
7.5支座反力与单元内力182
7.5.1支座反力182
7.5.2单元杆端内力182
7
请简述有限元分析的基本概念?用有限元法分析工程问题的一般步骤是什么?
有限元求解问题的基本步骤通常为: 第一步:问题及求解域定义:根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步:求解域离散化:将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散...
《大设计》无所不在。在会议室和战场上;在工厂车间中也在超市货架上;在自家的汽车和厨房中;在广告牌和食品包装上;甚至还出现在电影道具和电脑图标中。然而,设计却并非只是我们日常生活环境中的一种常见现象,它...
本书分为上篇“平面构成”和下篇“色彩构成”两个部分,每一部分的最后章节选编了一些本校历年来学生的优秀作品作为参考,图文并茂、深入浅出。此外,本书最后部分附有构成运用范例及题型练习,可供自考学生参考。本...
有限元法在机械设计中应用
有限元法是一种为求解偏分方程边值问题近似解的数值技术,将其应用到机械设计中,能够为机械设计方案的优化和改进作出巨大贡献,给机械设计带来卓越的优势和鲜活的生命力,给企业带来更大的经济效益、提升企业核心竞争力。基于此,对有限元法在机械设计中的应用进行分析,以期能够为更多同行工作者提供参考。
有限元法在机械设计中应用
有限元法是一种为求解偏分方程边值问题近似解的数值技术,将其应用到机械设计中,能够为机械设计方案的优化和改进作出巨大贡献,给机械设计带来卓越的优势和鲜活的生命力,给企业带来更大的经济效益、提升企业核心竞争力。基于此,对有限元法在机械设计中的应用进行分析,以期能够为更多同行工作者提供参考。
《有限元法基础与程序设计》讲述结构分析中有限元法的基本原理、程序设计方法和航空结构有限元分析建模技术。基础理论部分主要介绍杆系结构、平面问题、空间问题和等参数单元,重点是有限元法的基本原理及表达格式的建立途径,单元插值两数和特性矩阵的构造及不同单元特性的比较;程序部分结合二维问题静力分析算例,讨论了有限元结构分析的流程、数据结构、算法及其C语言程序设计,同时也给出了相同结构的FORTRAN语言程序,供不同编程语言偏好的人员选择;应用部分介绍了当前国内外有限元软件的功能、现状、发展趋势和复杂组合航空结构建模技术。
《有限元法基础与程序设计》目的是使读者较好地掌握有限元法的基本原理,编程方法和在工程实际中的初步应用。《有限元法基础与程序设计》共9章,包括弹性力学平面问题的常应单元、平面有限元法程序设计、高阶单元、空间问题、杆系结构、板的弯曲、动力问题、弹塑性问题的有限元法,最后介绍了大型通用有限元程序的使用和前后处理方法。
第一章 有限元方法引论
1.1 有限元法简介1.2 有限元分析的一般过程
1.3 有限元法在结构分析中的地位
第二章 杆系结构有限元法
2.1 杆单元
2.2 平面直梁单元
习题
第三章 有限元方法的一般步骤
3.1 结构的离散化
3.2 选择位移函数
3.3 单元刚度矩阵的建立
3.4 单元刚度矩阵组装及整体分析
3.5 子结构分析
习题
第四章 平面问题有限元法
4.1 平面问题的基本关系式
4.2 常应变三角形单元
4.3 四结点矩形单元
4.4 面积坐标与高阶三角形单元
4.5 高阶矩形单元
习题
第五章 空间问题有限元法
5.1 三维应力状态
5.2 四面体常应变单元
5.3 直六面体单元
习题
第六章 等参数单元
6.1 平面四结点等参元
6.2 八结点曲边等参单元
6.3 二十结点三维等参单元
6.4 数值积分
6.5 应力修匀
习题
第七章 单元刚度矩阵有关程序段的设计
7.1 有限元分析典型算例
7.2 杆元刚度矩阵程序
7.3 梁元刚度矩阵程序
7.4 常应变三角形单元的刚度矩阵和应力矩阵程序
7.5 常剪流任意四边形板单元的刚度矩阵程序
7.6 八结点曲边等参单元刚度矩阵和应力矩阵计算程序
7.7 计算单元刚度矩阵的FORTRAN子程序
第八章 总刚度矩阵的组集及刚度方程的建立
8.1 单元的地址程序段
8.2 组装总刚度矩阵的程序
8.3 总载荷向量的形成
8.4 建立结构总刚度矩阵的FORTRAN子例行程序
第九章 结构刚度方程的求解算法及程序设计
9.1 高斯消去法
9.2 因子化法
9.3 结构刚度方程的求解算法FORTRAN子例行程序
第十章 平面薄壁结构、平面应力问题的程序设计
10.1 平面薄壁结构的算例分析
10.2 平面应力问题的算例分析
10.3 平面薄壁结构和平面应力问题算例FORTRAN源程序
附录A 平面薄璧结构算例原始数据文件及计算结果
附录B 平面应力问题算例的原始数据文件及计算结果
第十一章 有限元结构分析程序系统特点
11.1 有限元软件技术
11.2 有限元分析程序
11.3 大型有限元结构分析程序
11.4 MSC.APTRAN/NASTRAN有限元分析程序系统简介
第十二章 飞机结构有限元分析
12.1 航空组合结构有限元分析模型的建立
12.2 飞机鸵面结构的有限元分析
参考文献。2100433B