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有限元建模基本原则

•确保精度
•控制规模
•确保精
度:
表格1:误差分析及处理
即使采用较少的单元和较低的差值函数阶次,也能获得较满意的离散精度。

例如,假设场函数在整个结构内的分布是二次函数,则用一个二次单元离散就能得到场函数的精确解。

如果场函数是线性或接近于线性分布,则用线性单元离散也能得到很好的离散精度。

但实际问题的场函数往往很复杂(如存在应力集中),在整个结构内很难遵循某一种函数规律,某些部位可能按高阶函数规律分布,某些部位又可能接近低阶函数的性质。

故,在划网格时,结构内的不同部位可能采用不同密度和阶次的网格形式。

综上所述:提高精度的措施:
1•提高单元阶次(单元插值函数完全多项式的最高次数)
阶次越高,插值函数越能逼近复杂的真实场函数,物理离散精度越高。

其次,高阶单元的边界可以是曲线或曲面,因此在离散具有曲线或曲面边界
的结构时,几何离散误差也较线性单元小。

所以当结构的场函数和形状较复杂时,可以采用这种方法来提高精度。

单元的阶次越高,收敛速度越快。

2•增加单元数量
等同于减小单元尺寸,尺寸减小时,单元的插值函数和边界能够逼近结构的
实际的场函数和实际边界,物理和几何离散误差都将减小。

当模型规模不太大时, 可以采用这种方法提高精度。

但是值得注意的是:精度随着单元数量增加是有限的,当数量增加到一定程
度后,继续增加单元数量,精度却提高甚微,再采用这种方法就不经济了。

实际操作时可以比较两种单元数量的计算结果,如果两次计算的差别较大,可以继续增加单元数量,否则停止增加。

3.划分规则的单元形状
单元形状的好坏将影响模型的局部精度,如果模型中存在较多的形状较差的单元,则会影响整个模型的精度。

直观上看,单元各条棱边或各个内角相差不大的形状是较好的形状。

4.建立与实际相符的边界条件
如果模型边界条件与实际工况相差较大,计算结果就会出现较大的误差,这
种误差有时甚至会超过有限元法本身带来的原理性误差。

可采用组合结构模型法,这种方法可以较好地考虑影响较大的结构间的相互作用,避免人为设置边界条件带来的误差。

或采用一些测试结果,将计算值与测试值进行比较,以逐步将边界条件调整合理。

5.减少模型规模
计算误差与运算次数有关,运算次数越多,误差累计就可能越大,所以采取适当的措施降低模型规模,减少运算次数,也可能提高计算精度。

模型规模直观上可以用节点数和单元数来衡量,一般讲,节点数和单元数越多,模型规模越大,反之则越小。

在估计模型规模时,除考虑节点的多少外,还应考虑节点的自由度数,总刚度矩阵的阶次等于节点数与其自由度数的乘积,即结构的总自由度数。

减小模型规模的方法:
(1)对模型进行处理:建立几何模型时,并不总是照搬结构的原有形状和尺寸,有时要做适当的简化和变换处理。

合理的近似和变换可以降低模型规模,而仍然保持一定的工程精度要求。

几何模型的处理方法有:降维处理、细节简化、等效变化、对称性利用和划分局部结构等。

此处很重要,参考《有限元法-原理、建模及应用》第二版.杜平安编著154 页.左下角
(2)采用子结构法:将一个复杂的结构从几何上分割为一定数量的相对简单的子结构,首先对每个子结构进行分析,然后将每个子结构的计算结果组集成整体结构的有限元模型。

这种模型比直接离散结构所得到的模型要相对简单的多,从而使模型规模得到控制。

这种方法适用于静力分析和动力分析。

还有三种方法,不适合初级学者,待续…
看abaqus视频时了解到,对于三角形单元,一般要用二阶单元来提高精度,二阶单元会增加自由度数;但对于四边形或六面体单元,一般一阶单元已有很好的精度,不必使用二阶单元。

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