北京科技大学有限元总结材料Word下载.docx
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N7=1/64[-10+9（x^2+y^2）]（1+x）（1+y）（1-z）
N18=9/64（1-x^2）（1+9z）（1+x）（1+1/3y）
北京科技大学2010—2011学年硕士研究生
姓名_______________学号_______________班级______________成绩________________
1~7题为笔试题，共50分。
3、等参元有何特点？
在四边形等参元网格的划分中，为什么要保证其内角小于180°
?
（8分）
等参数单元（简称等参元）就是对单元几何形状和单元内的参变量函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换而设计出的一种新型单元。
优点：
由于等参变换的采用使等参单元的刚度、质量、阻尼、荷载等特性矩阵的计算仍在前面所表示单元的规则域内进行，因此不管各个积分形式的矩阵表示的被积函数如何复杂，仍然可以方便地采用标准化的数值积分方法计算。
也正因为如此，等参元已成为有限元法中应用最为广泛的单元形式。
具有计算精度高和适应性好的特点，是有限元程序中主要采取的单元形式。
为了保证等参变换的一一对应性质，应当避免单元一边上的两点退化成一个节点，还要防止单元的任意两边的夹角接近180度。
更不允许夹角等于或大于180度。
图1
2、
在图1所示的坐标系下，某插值函数形式为：
Q1、Q2、Q3、Q4代表什么意义？
（4分）
（2）此插值函数具有什么基本性质？
Hermite插值函数，
有些实际的插值问题不但要求在节点上函数值相等，有些实际的插值问题不但要求在节点上函数值相等，满足这种要求的插值多项式就是埃尔米特插值多项式
5
3、构造一个四边形5节点Serendipity单元（长度：
2×
2），其中，5节点为等距离边内点。
要求写出单元的1节点和5节点所对应的形函数的具体形式。
（8分）
已知：
4结点矩形单元的插值函数：
4、三维四面体10节点元如图所示。
补全已给形函数中的下标，以表明它们在图示坐标系下是哪个节点形函数。
（6分）
对于图示的单元，其形函数为：
4
试证明在这样两个单元的公共边上不满足位移协调条件。
5、
对于右图所示四边形4节点网格，设每个节点具有2个自由度。
网格的最大带宽=_________,最大波阵宽=_________。
7、正方形截面的烟囱如图所示，烟囱壁由两层材料构成。
内层为隔热材料，外层为钢筋混凝土。
内、外层的导热系数不同。
假定烟囱内表面的温度为100℃，烟囱外表面暴露在温度为10℃的在空气中。
烟囱与空气换热系数为h。
要求利用对称性画出有限元网格图，并指出在不同的边界面上应当采用什么边界条件？
一、简要回答下列各题（每小题7分）
1）试叙述有限元分析的主要步骤。
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。
2）在选取单元位移函数时，应遵循哪些原则？
3）位移形状函数有哪些性质？
4）等参元有何特点？
5）在四边形单元的划分中，为什么要保证其内角小于180°
6）对单元的节点编号时,为什么要使同一单元的节点号差最小？
二、如图所示的结构已划分为3个3节点三角形单元，设各节点的自由度为1，各单元的
刚度矩阵相同，先定义每个单元的节点号，然后求出结构的刚度矩阵。
（15分）
单元刚度矩阵为：
（e=1，2，3）
三、对于图示的两单元，其位移函为，试证明在单元的公共边上不满足位移协调条件。
（10分）
四、图为8节点四边形单元（在局部坐标系中进行分析），先选取适当的位移函数，然
后构造出各节点的形函数。
（15分）（已知拉格朗日一维插值函数：
2点插值
3点插值）
五、在对结构进行离散化处理时，若单元划分得不合理将会大大降低计算结果的精度，甚
至产生错误的结果。
试列举出3种不合理的单元划分，并指出不合理的原因
北京科技大学2012—2013学年硕士研究生
一．是非题（认为该题正确，在括号中打√；
该题错误，在括号中打×
。
）（每小题2分）
（1）用加权余量法求解微分方程，其权函数
和场函数
的选择没有任何限制。
（）
（2）四结点四边形等参单元的位移插值函数是坐标x、y的一次函数。
（3）在三角形单元中，其面积坐标的值与三结点三角形单元的结点形函数值相等。
（4）二维弹性力学问题的有限元法求解，其收敛准则要求试探位移函数C1连续。
（5）有限元位移法求得的应力结果通常比应变结果精度低。
（）
（6）等参单元中Jacobi行列式的值不能等于零。
（7）在位移型有限元中，单元交界面上的应力是严格满足平衡条件的。
（8）四边形单元的Jacobi行列式是常数。
（）
（9）利用高斯点的应力进行应力精度的改善时，可以采用与位移插值函数不同结点的形函数进行应力插值。
（）
（10）一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。
二．单项选择题（共20分，每小题2分）
1在加权余量法中，若简单地利用近似解的试探函数序列作为权函数，这类方法称为________________。
（A）配点法（B）子域法（C）伽辽金法
2等参变换是指单元坐标变换和函数插值采用______的结点和______的插值函数。
（A）不相同，不相同（B）相同，相同（C）相同，不相同（D）不相同，相同
3有限元位移模式中，广义坐标的个数应与___________相等。
（A）单元结点个数（B）单元结点自由度数（C）场变量个数
4采用位移元计算得到应力近似解与精确解相比较，一般___________。
（A）近似解总小于精确解（B）近似解总大于精确解（C）近似解在精确解上下震荡（D）没有规律
5如果出现在泛函中场函数的最高阶导数是m阶，单元的完备性是指试探函数必须至少是______完全多项式。
（A）m-1次（B）m次（C）2m-1次
6与高斯消去法相比，高斯约当消去法将系数矩阵化成了_________形式，因此，不用进行回代计算。
（A）上三角矩阵（B）下三角矩阵（C）对角矩阵
7对称荷载在对称面上引起的________________分量为零。
（A）对称应力（B）反对称应力（C）对称位移（D）反对称位移
8对分析物体划分好单元后，__________会对刚度矩阵的半带宽产生影响。
（A）单元编号（B）单元组集次序（C）结点编号
9n个积分点的高斯积分的精度可达到______阶。
（A）n-1（B）n（C）2n-1（D）2n
10引入位移边界条件是为了消除有限元整体刚度矩阵
的__________。
（A）对称性（B）稀疏性（C）奇异性
三．简答题（共20分，每题5分）
1、简述有限单元法结构刚度矩阵的特点。
2、简述有限元法中选取单元位移函数（多项式）的一般原则。
3、简述有限单元法的收敛性准则。
4、考虑下列三种改善应力结果的方法
（1）总体应力磨平、
（2）单元应力磨平和（3）分片应力磨平，请分别将它们按计算精度（高>
低）和计算速度（快>
慢）进行排序。
四．计算题（共40分，每题20分）
1、如图1所示
等腰直角三角形单元，其厚度为
，弹性模量为
，泊松比
；
单元的边长及结点编号见图中所示。
求
（1）形函数矩阵
（2）应变矩阵
和应力矩阵
（3）单元刚度矩阵
2、图2（a）所示为正方形薄板，其板厚度为
，四边受到均匀荷载的作用，荷载集度为
，同时在
方向相应的两顶点处分别承受大小为
且沿板厚度方向均匀分布的荷载作用。
设薄板材料的弹性模量为
试求
（1）利用对称性，取图（b）所示
结构作为研究对象，并将其划分为4个面积大小相等、形状相同的直角三角形单元。
给出可供有限元分析的计算模型（即根据对称性条件，在图（b）中添加适当的约束和荷载，并进行单元编号和结点编号）。
（2）设单元结点的局部编号分别为
、
，为使每个单元刚度矩阵
相同，试在图（b）中正确标出每个单元的合理局部编号；
并求单元刚度矩阵
（3）计算等效结点荷载。
（4）应用适当的位移约束之后，给出可供求解的整体平衡方程（不需要求解）。
（a）
（b）
图2
ANSYS复习试卷
一、填空题
1.启动ANSYS有命令方式和菜单方式两种方式。
2.典型的ANSYS分析步骤有创建有限元模型（预处理阶段）、施加载荷并求解（求解阶段）、查看结果（后处理阶段）等。
3.APDL语言的参数有变量参数和数组参数，前者有数值型和字符型，后者有数值型、字符型和表。
4.ANSYS中常用的实体建模方式有自下而上建模和自上而下建模两种。
5.ANSYS中的总体坐标系有总体迪卡尔坐标系[csys,0]、总体柱坐标系（Z）[csys,1]、总体球坐标系[csys,2]和总体柱坐标系（Y）[csys,3]。
6.ANSYS中网格划分的方法有自由网格划分、映射网格划分、扫掠网格划分、过渡网格划分等。
7.ANSYS中载荷既可以加在实体模型上，也可以加在有限元模型上。
8.ANSYS中常用的加载方式有直接加载、表格加载和函数加载。
9.在ANSYS中常用的结果显示方式有图像显示、列表显示、动画显示等。
10.在ANSYS中结果后处理主要在通用后处理器（POST1）和时间历程后处理器（POST26）里完成。
11.谐响应分析中主要的三种求解方法是完全法、缩减法、模态叠加法。
12.模态分析主要用于计算结构的固有频率和振型（模态）。
13.ANSYS热分析可分为稳态传热、瞬态传热和耦合分析三类。
14.用于热辐射中净热量传递的斯蒂芬-波尔兹曼方程的表达式是
15.热传递的方式有热传导、热对流、热辐射三种。
16.利用ANSYS软件进行耦合分析的方法有直接耦合、间接耦合两种。
二、简答题
1.有限元方法计算的思路是什么？
包含哪几个过程？
答：
（1）有限元是将一个连续体结构离散成有限个单元体，这些单元体在节点处相互铰结，把荷载简化到节点上，计算在外荷载作用下各节点的位移，进而计算各单元的应力和应变。
用离散体的解答近似代替原连续体解答，当单元划分得足够密时，它与真实解是接近的。
（2）物体离散化；
单元特性分析；
单元组装；
求解节点自由度。
2.ANSYS都有哪几个处理器？
各自用途是什么？
（1）有6个，分别是：
前处理器；
求解器；
通用后处理器；
时间历程后处理器；
拓扑优化器；
优化器。
（2）前处理器：
创建有限元或实体模型；
求解器：
施加荷载并求解；
通用后处理器：
查看模型在某一时刻的结果；
时间历程后处理器：
查看模型在不同时间段或子步历程上的结果；
拓扑优化器：
寻求物体对材料的最佳利用；
优化器：
进行传统的优化设计；
3.在ANSYS中过渡网格的用途是？
有些情况下，高梯度区域要求用六面体单元去细致雕刻，而其它非关键区域，用四面体单元可能就足够了。
不幸的是，在同一网格中混用六面体和四面体形的单元格会导致不协调。
且有限元方法要求单元网格详细。
过度网格把四面体单元与六面体单元结合起来而不破坏网格的整体性，令ansys在他们的交界处自动生成金字塔单元，可见容易地在六面体单元和四面体单元之间保证数学上的连续。
4.ANSYS中两种建模方式各自的特点是什么？
分别适用于哪些场合？
（1）自下而上建模：
从点—创建线—创建面—创建体的方式；
适用于不规则形状或一般二维模型。
（2）自上而下建模：
直接创建体素、面素等；
适用于规则形状或三维模型。
5.为什么实际中常常优先选择规则网格？
单元质量对求解结果和求解过程影响比较大，优先选择规则网格，求解精度会比较高。
6.耦合和约束方程各有什么特点？
各自的主要用途有哪些？
（1）耦合：
使一组节点具有相同的自由度。
用于施加对称条件无摩擦截面铰接；
（2）约束方程：
自由卷标的任意组合，任意节点号，任意实际的自由度方向。
用于连接不同的网格、连接不同类型的单元、建立刚性区过盈装配。
7.高级后处理技术有哪些？
各自的用途有哪些？
（1）载荷工况的分析、路径操作、时间历程处理。
（2）载荷工况的分析：
在两组完整的结果数据中执行运算；
路径操作：
虚拟映射任何结果数据到模型的任意路径上；
时间历程处理：
检查模型中指定点的分析结果与时间频率等的函数关系；
8.ANSYS中常用的坐标系有哪几类？
并简述其用途？
（1）整体及局部坐标系；
节点坐标系；
单元坐标系；
结果坐标系；
显示坐标系。
（2）整体及局部坐标系：
用以确定几何参数在空间中的位置；
节点坐标系：
用以确定各节点的自由度方向和节点结果数据的方向；
单元坐标系：
用以确定材料特性主轴和单元结果数据方向；
结果坐标系：
用来列表显示结果或单元结果；
显示坐标系：
用于几何形状参数的列表及显示；
9.简述ANSYS菜单中常见按钮OK、Apply、Cancel、Help、Reset的操作结果？
OK：
执行操作，并退出此对话框；
Apply：
执行操作，但并不退出此对话框，可以重复执行操作；
Cancel：
取消操作，并退出此对话框；
Help：
帮助ansys命令解释及所有的GUI解释和系统分析指南；
Reset：
恢复到默认状态；
10.ANSYS中常见的约束和载荷有哪些？
适用什么场合？
（1）自由度约束DOF；
力；
面荷载；
体荷载；
惯性荷载；
耦合场荷载。
（2）自由度约束DOF：
将给定的自由度表示出来；
力：
施加于模型节点上的集中荷载或施加于模型边界上的荷载；
面荷载：
分布荷载施加于某个面上；
体荷载：
体积或场荷载；
惯性荷载：
由于物体的惯性而引起的荷载；
耦合场荷载：
将一种分析的结果用到另一种分析的荷载；
11.结构分析的主要类型有哪些？
并简述其主要用途？
（1）静力分析；
模态分析；
谐响应分析；
瞬态动力学分析；
谱分析；
屈曲分析；
显示动力学分析。
（2）静力分析：
求解静力荷载作用下结构的位移及应力；
模态分析：
计算结构的固有频率和模态；
谐响应分析：
确定结构在简谐荷载作用下的响应；
瞬态动力学分析：
计算结构在随时间任意变化的荷载作用下的响应；
谱分析：
计算由于响应普或psd输入引起的应力和应变；
显示动力学分析：
计算高度非线性动力学和复杂的接触问题；
12.简述均匀温度、参考温度和温度载荷的主要区别？
（1）均匀温度：
在热分析中，均匀温度与初始温度、参考温度作用相同；
（2）参考温度：
是没有定义初始温度的时候，在分析的第一个子步给模型施加的一个均匀温度场的温度；
（3）温度荷载：
由温度变化在结构上产生的荷载；
13.在热—结构耦合分析中如何将热单元转化为结构单元？
选择菜单路径MainMenu|Preprocessor|ElementType|SwitchElemType，将弹出转换单元类型对话框。
三、名词解释
1.单元形状函数：
是一种数学函数，规定了从节点DOF值到单元内所有节点处DOF值的计算方法。
2.ANSYS中的宏及宏文件：
宏是包含一系列ansys命令并且后缀为.MAC或.mac的命令文件。
宏文件往往是记录一系列频繁使用的ansys命令流，实现某种有限元分析或其他算法功能。
3.ANSYS中的工作平面：
是创建几何模型的参考（x,y）平面，在前处理器中用于建模。
工作平面是一个无限大的二维坐标系平面，有原点。
4.ANSYS中的布尔运算：
使两个平面模型重叠一部分，运用交运算、两两相交、加运算、减运算、搭接、粘结或合并、分割等运算形成新的想要图形，这种操作就叫做布尔运算。
5.模态叠加法：
是用于瞬态分析和谐分析的一种求解技术模态，是将从模态分析中得到各个振型分别乘以系数后叠加起来以计算动力学响应的方法。
四、ANSYS软件界面应用题
1.以下ANSYS软件中选择类型中相关操作，请将操作编号填入对应操作结果图中。
A.SelectAll:
选择全部实体集
B.SelectNone:
全部实体集都不选择
C.Invert:
对激活及未激活的子集取反
D.Unselect:
从当前子集中去掉一部分
E.AlsoSelect:
增加另一个子集到当前子集中
F.Reselect:
从当前子集中选择（再选择）子集
G.FromFull:
从全部实体集中选择子集
A：
SelectAll
B:
SelectNone
C:
Invert
D：
Unselect
E：
AlsoSelect
F:
Reselect
G：
FromFull
2．下图是ANSYS软件操作窗界面图形窗口，文字为对应说明，请补充完善左边说明并将其标号填入对应图形编号中。
A.主菜单（MainMenu）：
包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。
B.通用菜单（UtilityMenu）：
包含各种应用命令，如文件控制（File）、对象选择（Select）、资料列式（List）、图形显示（Plot）、图形控制（PlotCtrls）、工作平面设定（WorkPlane）、参数化设计（Parameters）、宏命令（Macro）、窗口控制（MenuCtrls）及辅助说明（Help）等.
C.工具栏（Toolbar）：
执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。
D.输入窗口（InputWindow）：
该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的历程。
E.图形窗口（GraphicWindow）：
显示使用者所建立的模型及查看结果分析。
F.标准工具栏：
用于新建、打开保存、打印等文件操作。
G.图形视图操作快捷按钮：
用于图形移动、缩放、旋转等操作
H.状态栏：
显示当前操作或即将操作对象及提示
E
3、结合你所学的力学知识及ANSYS软件应用基础，简述你从下图中可以得到的信息。
这是一张应力分析的结果图；
求解子步为1；
最大应力为：
1.57*107；
求解结束时间为1；
最小应力为：
-9.87*106；
最大位移为：
9.74*10-7；
五、编程题
1.使用*CREATE命令定义一个包含以下材料属性的宏文件，宏文件名为matpro.mac
材料1：
弹性模量：
2.1E11
泊松比：
0.27
密度：
7835kg/m3
导热系数：
42W/m·
K
材料2：
125GPa
泊松比：
0.3
热膨胀系数：
1.2×
10-6m/（m·
K）
比热容：
220J/kg·
传热系数：
l.6W/m·
*CREATE,matpro,mac
MP,EX,1,2.1E11
MP,PRXY,1,.27
MP,DENS,1,7835
MP,KXX,1,42
MP,EX,2,1.25E11
MP,PRXY,2,.3
MP,APLX,2,1.2E-6
MP,C,2,220
MP,KXX,2,1.6
*END
2.阅读以下命令流文件，完善对每条命令的注释，并简要说明该命令流文件所完成的分析功能。
!
APDL命令注释
/COM,
/COM,PreferencesforGUIfiltering
havebeensettodisplay:
/COM,Structural
/units,si
/PREP7
ET,1,PLANE42定义单元类型为PLANE42
R,1,0.001,定义实常数，厚度为0.001
MP,EX,1,2.1e11
MP,PRXY,1,0.3定义泊松比
CYL4,,,0.1
RECTNG,-0.005,0.005,-0.005,0.005,
ASBA,1,2
FLST,5,4,4,ORDE,2
FITEM,5,5
FITEM,5,-8
CM,_Y,LINE
LSEL,,,,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,,_Y
LESIZE,_Y1,,,5,,,,,1
FITEM,5,1
FITEM,5,-4
LESIZE,_Y1,,,25,,,,,1
AMESH,3划分网格
FINISH
/SOL
ANTYPE,0设置分析类型为静态分析
NSUBST,1,0,0设定求解子步为1
TIME,1设定求解结束时间为1
FLST,2,4,4,ORD
升级会员 