有限元分析概念

CAE初学者

　　有限元分析概念

　　有限元法

　　把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元(子域)所构成，其模型给出基本方程的分片(子域)近似解，由于单元(子域)可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。

　　有限元模型

　　它是真实系统理想化的数学抽象。由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。

　　有限元分析

　　是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。并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逼近无限未知量的真实系统。

　　线弹性有限元

　　是以理想弹性体为研究对象的，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律;应力与应变也是线性关系，线弹性问题可归结为求解线性方程问题，所以只需要较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法，也有助于降低有限元分析的时间。线弹性有限元一般包括线弹性静力学分析与线弹性动力学分析两方面。

　　非线性问题与线弹性问题的区别

　　1)非线性问题的方程是非线性的，一般需要迭代求解。

　　2)非线性问题不能采用叠加原理。

　　3)非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。

　　有限元求解非线性问题可分为以下三类

　　1)材料非线性问题

　　材料的应力和应变是非线性的，但应力与应变却很微小，此时应变与位移呈线性关系，这类问题属于材料的非线性问题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的本构关系，所以，一般材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据，有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟，尽管这些模型总有他们的局限性。在工程实际中较为重要的材料非线性问题有：非线性弹性(包括分段线弹性)、弹塑性、粘塑性及蠕变等。

　　2)几何非线性问题

　　几何非线性问题是由于位移之间存在非线性关系引起的。

　　当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系。研究这类问题一般都是假定材料的应力和应变呈线性关系。它包括大位移大应变及大位移小应变问题。如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。

　　3)非线性边界问题

　　在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边界属于高度非线性边界。

　　平时遇到的一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。

　　实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性问题。

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