有限元分析方法是指什么?
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发布时间：2022-05-14 12:28
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时间：2023-10-17 00:23
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去*近无限未知量的真实系统。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
扩展资料：
有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。
不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。
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时间：2023-10-17 00:23
在现代机械设计中，有限元分析方法（The Finite Element Analysis Method）是不可缺少的重要手段。1956年，M. J. Turner，R. W. Clough，H. C. Martin，L. J. Topp在纽约举行的航空学会年会上介绍了一种新的计算方法，将矩阵位移法推广到求解平面应力问题。他们把连续几何模型划分成一个个三角形和矩形的“单元”，并为所使用的单元指定近似位移函数，进而求得单元节点力与节点位移关系的单元刚度矩阵。1954—1955年，J. H. Argyris在航空工程杂志上发表了一组能量原理和结构分析论文。1960年，Clough在著名的题为《The Finite Element in plane stress analysis》的论文中首次提出了有限元（Finite Element）这一术语，并在后来被广泛地引用，成为这种数值方法的标准称谓。与此同时，数学家们则发展了微分方程的近似解法，包括有限差分方法、变分原理和加权余量法，这为有限元方法在以后的发展奠定了数学和理论基础。在1963年前后，经过J. F. Besseling，R. J. Melosh，R. E. Jones，R. H. Gallaher，T. H. H. Pian等许多人的工作，人们认识到有限元法就是变分原理中Ritz近似法的一种变形，从而发展了使用各种不同变分原理导出的有限元计算公式。1965年O. C. Zienkiewicz和Y. K. Cheung发现，对于所有的场问题，只要能将其转换为相应的变分形式，就可以用与固体力学有限元法相同的步骤求解。1969年B. A. Szabo和G. C. Lee指出可以用加权余量法特别是迦辽金（Galerkin）法，导出标准的有限元过程来求解非结构问题。我国的力学工作者为有限元方法的初期发展作出了许多贡献，其中比较著名的有：陈伯屏（结构矩阵方法）、钱令希（余能原理）、钱伟长（广义变分原理）、胡海昌（广义变分原理）、冯康（有限单元法理论）。
有限元法的基本思想：通过离散化将研究对象变换成一个与原结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力位移、应变等参数的数值计算方法，如图4-19所示。假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论（如变分原理或虚动原理等）或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。
随着计算机技术的飞速发展，有限元已成为机构分析的有效方法和手段，有限元法的应用领域已涉及机械工程、土木工程、航空结构、热传导、电磁场、地质力学等众多领域。它几乎适用于所有连续介质和场的问题，成为科学研究和工程设计必不可少的数值分析工具。
图4-19 建立有限元模型的一般步骤有限元法的计算步骤可以归纳为网格划分、单元分析和整体分析3个基本步骤。
（1）网格划分。
有限元法的基本做法是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体。因此首先要对弹性体进行必要的简化，再将弹性体划分为有限个单元组成的离散体。单元之间通过节点相连接。由单元、节点、节点连线构成的集合称为网格，如图4-20所示。
图4-20 有限元网格（2）单元分析。
对于弹性力学问题，单元分析就是建立各个单元的节点位移和节点力之间的关系式。由于将单元的节点位移作为基本变量，进行单元分析首先要为单元内部的位移确定一个近似表达式，然后计算单元的应变、应力，再建立单元中节点力与节点位移的关系式。
（3）整体分析。
图4-21 整体分析着电子计算机容量的迅速提高，现在商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受，人们不必在编写程序上花费大量精力，不仅如此，商品化的有限元程序的发展还使用户能够摆脱手工网格的划分，简化了前期处理过程，省去了逐点输入结点坐标和单元联结信息程序，而且通过屏幕菜单方法可以得到良好的人机对话环境，并能在计算机结构分析上获得鲜明的视觉效果。著名的商品化有限程序有NASTRAN，ADFNA/ADINAT，ANSTS，COSMOS/MSAP等。这些程序的分析范围和功能存在差异，在使用时应根据分析范围的不同选择合理的程序。
