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有限元法的概述

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发表于 2016-3-4 15:02:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
有限元方法(Finite Element Method)是力学,数学物理学,计算方法,计算机技 术等多种学科综合发展和结合的产物。在人类研究自然界的三大科学研究方法(理论分 析,科学试验,科学计算)中,对于大多数新型领域,由于科学理论和科学实践的局限 性,科学计算成为一种最重要的研究手段。在大多数工程研究领域,有限元方法是进行 科学计算的重要方法之一;利用有限元方法几乎可以对任意复杂的工程结构进行分析, 获取结构的各种机械性能信息,对工程结构进行评判,对工程事故进行分析。有限元法 在设计过程中有极为关键的作用。
  人们对各种力学问题进行分析求解,其方法归结起来可以分为解析法(Analytical Method)和数值法(Numeric Method).如果给定一个问题,通过一定的推导可以用具体的表达式来获得问题的解答,这样的求解方法就称为解析法。但是由于实际结构物的复杂性,除了少数极其简单的问题外,绝大多数科学研究和工程计算问题用解析法求解式极其困难的。因此,数值法求解便成为了一种不可替代的广泛应用的方法,并取得了不断的发展,如有限元法,有限差分法,边界元方法等都是属于数值求解方法。其中有限元法式 20 世纪中期伴随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种数值分析方法,它的数学逻辑严谨,物理概念清晰,应用非常广泛,能活灵活现处理和求解各种复杂的问题。有限元方法采用矩阵式来表达基本公式,便于计算机编程,这些优点赋予了它强大的生命力。
  有限元方法的实质是将复杂的连续体划分成为有限多个简单的单元体,化无限自由度问题为优先自由度问题,将连续场函数的(偏)微分方程的求解问题转化为有限个参数的代数方程组的求解问题。用有限元方法分析工程结构的问题时,将一个理想体离散化后,如何保证其数值的收敛性和稳定性是有限元理论讨论的主要内容之一,而数值解的收敛性与单元的划分及单元形状有关。在求解过程中,通常以位移为基本变量,使用虚位移原理或最小是能原理来求解。
  有限元方法的基本思想先化整为零,再积零为整,也就是把一个连续体认为分割成有限个单元;即把一个结构看成由若干通过结点相连的单元组成的整体,先进行单元分析,然后再把这些单元组合起来代表原来的结构进行整体分析。从数学的角度上看,有限元方法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组,然后利用计算机进行求解的方法。 由于有限元法采用了矩阵方法,因此借助计算机可以很方便的快速进行计算。
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