有限元作业

1.列举著名的有限元软件（8种—10种以上），并简述大型通用有限元软件的特点。LUSAS,MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NXNastran、Hypermesh、COMSOLMultiphysics、FEPGABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computerAideddesign）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。MSC软件是全球多学科仿真的厂商在航空业MSCNastran被美国联邦航空管理局(FAA)认证为领取飞行器适航证指定的唯一验证软件。在中国，MSC软件全面通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会的严格考核认证，作为与分析设计标准JB4732-95相适应的分析软件。在船舶行业MSCNastran软件是中国船级社指定的船舶分析验证软件(CCS.CC(1997)118，国际船级社协会的10个成员(世界十大船级社)中有8家采用MSCNastran软件作为船舶分析的验证软件，包括：美国船级社ABS、英国劳氏船级社LR、日本船级社NK、挪威船级社DNV、韩国船级社KR、法国船级社BV、德国劳氏船级社GL、中国船级社CCS。2.1单元种类数（1）在ABAQUS/Sandard中，实体单元包括二维和三维的线性单元和二次单元，均可以采用完全积分或缩减积分，另外还有修正的二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元(四面体单元)，以及非协调模式单元和杂交单元。（2）ABAQUS/Explicit中，实体单元包括二维和三维的线性缩减积分单元，以及修正的二次二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元(四面体单元)，没有二次完全积分实体单元。按照节点位移插值的阶数，ABAQUS里的实体单元可以分为以下三类：线性单元：仅在单元的角点处布置节点，在各个方向都采用线性插值。二次单元：在每条边上有中间节点，采用二次插值。修正的二次单元：在每条边上有中间节点，并采用修正的二次插值。1、线性完全积分单元2、二次完全积分单元：3、线性减缩积分单元：4、二次减缩积分单元5、非协调模式单元6、使用Tri或Tet单元要注意：如果能用Quad或Hex单元，就尽量不要使用Tri或Tet单元；7、杂交单元在ABAQUS/Standard中，每一种实体单元都有其对应的杂交单元，用于不可压缩材料（泊松比为0.5，如橡胶）或近似不可压缩材料（泊松比大于0.475）。除了平面应力问题之外，不能用普通单元来模拟不可压缩材料的响应，因为此时单元中的应力士不确定的。2.2ABAQUS单元命名原则一、实体单元/连续介质单元（ContinuumElements）1、通用实体单元（General-purposecontinuumelements）1.1、一维、二维、三维及轴对称单元（One-dimensional,two-dimensional,three-dimensional,andaxisymmetricelements）1.2、含非对称、非线性变形的轴对称单元（Axisymmetricelementswithnonlinearasymmetricdeformation）1.3、圆柱体单元（Cylindricalelements）2、无限元（Infiniteelements）3、翘曲元（Warpingelements）二、结构性单元（StructuralElements）1、膜单元（MembraneElements）1.1、通用膜单元（Generalmembraneelements）?1.2、圆柱体膜单元（Cylindricalmembraneelements）2、桁架单元（TrussElements）3、梁单元（BeamElements）4、壳单元（ShellElements）4.1、三维壳单元（Three-dimensionalshellelements）4.2、轴对称壳单元（Axisymmetricshellelements）2.3abaqus中各个单元类型的区别薄壁壳与厚壁壳.壳体问题一般可以归结为薄壳问题和厚壳问题.二者的区别之处在于薄壳问题假设壳体横向（厚度方向）剪切变形量很小,可以忽略不计.而后可认为横向剪切变形对计算结果有重要影响.对于由但一个向同性材料组成的壳体,当厚度与跨度比值大于1/15时可以认为是厚壳,小于此值时可以认为是薄壳.减缩积分.减缩积分是相对于完全积分来说的,完全积分的含义是,当单元具有规则形状时,在数值积分过程中采用的高斯积分点数目能够对单元刚度矩阵中的插值多项式进行精确积分.“规则形状”是指单元的边相交成直角,且中间节点位于边的中点.完全积分的线性单元在每个方向上有2个积分点,二次单元在每个方向上有3个积分点.在承受弯曲载荷作用时,完全积分单元容易产生剪切闭锁现象,造成单元过硬,导致即使划分很细的网格,计算精度仍然很差,因此,缩减积分单元应运而生.减缩积分单元比完全积分单元在每个方向上少使用一个积分点,因此成为减缩积分.减缩积分可以消除前面所说的剪切闭锁问题,而且对计算结果精度影响不大.但减缩积分单元也有自己的缺点,即它只在单元中心有一个积分点,相当于常应力单元,它在积分点上的计算结果是精确的,而经过插值平均后得到的节点应力则不精确,如果要精确计算应力集中部位的节点应力,还是使用完全积分单元比较好.另外,沙漏模式也是使用减缩积分单元特有的问题.沙漏模式（hourglass）及其控制.沙漏模式主要出现在线性减缩积分单元的应力/位移场分析中.线性单元本身的积分点数就比较少,使用减缩积分时各个方向上的积分点数又减少一个,因此可能出现没有刚度的零能模式,即所说的“沙漏模式”.如果网格较粗,这种零能模式就有可能通过网格扩散出去,使计算结果变得没有意义.因此,线性缩减积分单元在使用时必须对沙漏模式的出现进行控制,abaqus中的一阶（线性）缩减积分单元都引入了控制沙漏模式的“沙漏刚度”,但使用时也需要进行细致的网格划分.有限薄膜应变“有限应变”是相对于“小应变”来说的,其实有限应变一点都不有限,它可以适用于应变很大的算例.如果单元后面跟个S,比如S4RS单元,这就是小应变单元,只能适用于小应变情形的算例.3.简述有限单元法的应用情况（工程领域及常见问题）有限元法在铸件凝固过程中的应用有限元法在金属成型中的应用冷拔钢管成型过程的模拟焊管成型过程的模拟有限元法在结构强度分析和优化设计中的应用隔水套管的优化设计吊笼结构设计舰用钢丝绳在挤压力下的有限元分析液压密封圈的有限元分析及结构优化单螺杆泵定子橡胶的接触磨损分析冰箱压缩机排气系统的有限元分析与优化设计压缩机吸气阀片的优化设计热塑性复合材料的粘塑性有限元法焦炭塔地震动力响应分析有限元法在土木工程与地震预测中的应用钢筋混凝土斜交刚构连续梁桥的实验与数值分析钢结构外伸端板连接抗火性能研究轻型钢筋混凝土复合楼板的有限元分析超高层钢筋混凝土结构梁柱节点的有限元分析含硬包体岩石破裂演化过程的声发射数值模拟有限元法在生物力学中的应用有限元法在膝关节修复中的应用有限元法在漏斗胸矫形手术中的应用4.有限元分析的3个部分有限元分析可分成三个部分，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。5.有限元分析的基本步骤第一步：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域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。6.简介有限元平面问题（区别平面应力和平面应变）及其应用范围平面应力：只在平面内有应力，与该面垂直方向的应力可忽略，例如薄板拉压问题。平面应变：只在平面内有应变，与该面垂直方向的应变可忽略，例如水坝侧向水压问题。具体说来：平面应力是指所有的应力都在一个平面内，如果平面是OXY平面，那么只有正应力σx，σy，剪应力τxy(它们都在一个平面内)，没有σz，τyz，τzx。平面应变是指所有的应变都在一个平面内，同样如果平面是OXY平面，则只有正应变εx，εy和剪应变γxy，而没有εz，γyz，γzx。举例说来：平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变；作用外力与纵向轴垂直，并且沿长度不变；柱体的两端受固定约束。平面应力问题讨论的弹性体为薄板，薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，其所受外力，包括体力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变。而且薄板的两个表面不受外力作用7.简介有限元轴对称问题的范围在工程问题中经常会遇到一些实际结构，它们的几何形状、约束条件和外载荷均对称某一固定轴，我们把该固定轴称为对称轴。则在载荷作用下产生的应力、应变和位移也都对称此轴。这种问题就称为轴对称问题。在离心机械、压力容器、矿山机械、飞行器中经常遇到轴对称问题。8.常见ABAQUS单位的类型。此外，还要求掌握具体的参数，比如：C3D8R一．非协调模式单元（I）和修正单元（M）(待定)C3D8R是单元类型，C表示为实体单元，3D'表示为“三维”，“8”是这个单元所具有的节点数目，R“指这个单元是“缩减积分单元”。9.ABAQUS怎样设置单位？常用单位体系（公制和英制），分别介绍m和mm两种体系（距离，力，压强等）答：如果长度单位是m，则力、质量、时间单位必须是N,Kg,s相应的密度单位是kg/m^3，应力和弹性模量的单位是N/m^3；如果长度单位使用mm，则力，质量、时间单位是N,t和s，相