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積分點(diǎn)和單元節(jié)點(diǎn)的區(qū)別

 縱然不是我識(shí)秋 2019-09-25

2013年06月14日 09:54:56 zhuxianjianqi 

學(xué)過(guò)數(shù)值積分的應(yīng)該知道,有限元中的積分點(diǎn)指高斯積分點(diǎn),因?yàn)檫@些點(diǎn)的收斂性好,精度高。

1. 節(jié)點(diǎn)
    在單元內(nèi),采用形函數(shù)來(lái)表述單元內(nèi)變量的分布規(guī)律。而節(jié)點(diǎn)值是在節(jié)點(diǎn)處的對(duì)應(yīng)物理量。
以簡(jiǎn)單矩形單元的溫度為例:四個(gè)節(jié)點(diǎn)i,j,m,n的溫度分別為T(mén)i,Tj,Tm,Tn.
則以單元內(nèi)自然坐標(biāo)(x,y),(-1,-1),(-1,1),(1,-1),(1,1)分別為四個(gè)節(jié)點(diǎn),單元內(nèi)溫度分布為:

T={Si, Sj, Sm, Sn} {Ti, Tj, Tm, Tn}
其中,Si=1/4(1-x)(1-y),Sj=1/4(1+x)(1-y)] ,Sm=1/4(1+x)(1+y),Sn=1/4(1-x)(1+y)

(單元的形函數(shù)我們可以從手冊(cè)中查到)
從而我們知道了溫度在單元內(nèi)的分布。
2. 積分點(diǎn)
    我們需要對(duì)溫度在單元內(nèi)的面積上進(jìn)行積分時(shí),因?yàn)?span style="box-sizing: border-box;outline-style: initial;outline-width: 0px;margin: 0px;padding: 0px;font-weight: 700;overflow-wrap: break-word;background: rgb(102, 255, 255);color: rgb(0, 0, 0);">節(jié)點(diǎn)的溫度顯然x,y無(wú)關(guān),我們只需要考慮對(duì)形函數(shù)積分。采用Gauss_Legendre多項(xiàng)式計(jì)算積分時(shí),我們只需要計(jì)算根據(jù)特定積分點(diǎn)的值(在自然坐標(biāo)系下是固定的,可以查手冊(cè),這些點(diǎn)也叫高斯點(diǎn)、積分點(diǎn))并加以權(quán)重就可以。這就把復(fù)雜的積分問(wèn)題變成了簡(jiǎn)單的代數(shù)問(wèn)題。因?yàn)樾魏瘮?shù)只與單元有關(guān),所以積分點(diǎn)也只單元形狀有關(guān)。
    應(yīng)力一般采用多個(gè)積分點(diǎn)的相互插值或外延來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。這只是為了減少誤差。因?yàn)樵?span style="box-sizing: border-box;outline-style: initial;outline-width: 0px;margin: 0px;padding: 0px;font-weight: 700;overflow-wrap: break-word;">積分點(diǎn)應(yīng)力比節(jié)點(diǎn)具有更高階的誤差。
    從理論上說(shuō),形函數(shù)已知后,用Maple或者M(jìn)athematic等軟件進(jìn)行符號(hào)積分的話,是可以精確計(jì)算出剛度矩陣質(zhì)量矩陣,但是這樣做的話,對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不合適。
原因:1,費(fèi)時(shí);2,Mindlin中厚板剪力鎖死問(wèn)題,時(shí)候需要采用縮聚積分),所以些書(shū)上會(huì)把2節(jié)點(diǎn)單元的剛度陣直接寫(xiě)出來(lái),但是再?gòu)?fù)雜點(diǎn)單元,就使用數(shù)值積分(Newton-Cotes積分和高斯積分
牛頓-科斯的積分點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn),這樣得到的質(zhì)量矩陣是集中質(zhì)量陣形式

個(gè)人理解:

1.節(jié)點(diǎn)作用:構(gòu)造形函數(shù),節(jié)點(diǎn)的多少描述規(guī)則形狀單元內(nèi)的應(yīng)力的近似分布情況,并獲取節(jié)點(diǎn)上的位移值

2.積分點(diǎn)作用:構(gòu)造規(guī)則形狀單元曲邊(曲面)單元的轉(zhuǎn)化的變換函數(shù),積分點(diǎn)的選取多少選取的位置直接關(guān)系到這種“映射”的精確程度,剛度矩陣、邊界條件的轉(zhuǎn)化都用到了坐標(biāo)變換的積分關(guān)系,一般取高斯積分點(diǎn)能使被積函數(shù)計(jì)算精度盡量高。對(duì)于newton-cote積分點(diǎn)的選取,這種“映射”看起來(lái),節(jié)點(diǎn)和積分點(diǎn)是同一個(gè)位置或說(shuō)是同一點(diǎn),而對(duì)于高斯積分點(diǎn)位置與節(jié)點(diǎn)是不同的。

如下結(jié)果:

 1.由于高斯積分點(diǎn)的這種變換比較高,在方程求解結(jié)束,返回積分點(diǎn)上的應(yīng)力解比較準(zhǔn)確。
 2.至于Mindlin中厚板剪力鎖死問(wèn)題,采用縮聚積分,也是應(yīng)為這種坐標(biāo)的變換關(guān)系(可見(jiàn)《有限單元法基本原理數(shù)值方法p345頁(yè)10.4.11式可知),力的邊界條件只有剪切,采用縮聚積分可以較大降低剪切力的影響,但是也可能引起剛度矩陣的奇異,所以對(duì)于中厚板的積分點(diǎn)選取不同一般的方案。

1.ANSYS手冊(cè)(Chapter 13)上列出各種單元積分點(diǎn)位置。
2.王瑁成的《有限單元法》第五章,解釋為什么積分點(diǎn)應(yīng)力更加精確。

3.因?yàn)?span style="box-sizing: border-box;outline-style: initial;outline-width: 0px;margin: 0px;padding: 0px;font-weight: 700;overflow-wrap: break-word;">積分點(diǎn)應(yīng)力更精確,所以我們一般采用積分點(diǎn)的應(yīng)力內(nèi)插或外延確定節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。特殊情況除外。

單元節(jié)點(diǎn)和積分點(diǎn)是不同的兩個(gè)概念!
積分點(diǎn)是在進(jìn)行函數(shù)積分的時(shí)候,為了增加精度,選取的積分點(diǎn),也就是高斯積分
單元節(jié)點(diǎn)
是你選取單元的時(shí)候就已經(jīng)定下的點(diǎn)。

一定單元節(jié)點(diǎn),但不一定積分點(diǎn)

    在網(wǎng)格劃分完了所有的節(jié)點(diǎn)就都給定了,就是你網(wǎng)格中的每個(gè)點(diǎn),他是有限元模型中“真實(shí)存在”的點(diǎn)。但是高斯點(diǎn)純粹是因?yàn)楦咚?span style="box-sizing: border-box;outline-style: initial;outline-width: 0px;margin: 0px;padding: 0px;font-weight: 700;overflow-wrap: break-word;background: rgb(102, 255, 153);color: rgb(0, 0, 0);">積分這種積分方式引入的。數(shù)值分析告訴我們,數(shù)值積分有很多方法,比如辛普森積分,高斯積分等,比如說(shuō),如果你采用辛普森積分就不存在高斯點(diǎn)這個(gè)概念,只有當(dāng)你采用高斯積分才會(huì)高斯點(diǎn),不過(guò)有限元大多都采用高斯積分。;看過(guò)高斯積分就知道高斯點(diǎn)是怎么一回事了。
有限元求解的結(jié)果是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移,然后通過(guò)形函數(shù)插值得到單元任何一個(gè)點(diǎn)的位移,當(dāng)然可以計(jì)算出高斯積分點(diǎn)的位移。至于應(yīng)力,一般是先求解出高斯點(diǎn)出的應(yīng)力,然后通過(guò)平均化的技術(shù)平均到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上,高斯點(diǎn)處的應(yīng)力精度最高,節(jié)點(diǎn)最差。

   沙漏現(xiàn)象由于積分點(diǎn)過(guò)少造成單元變形過(guò)大,剪力自鎖由于沒(méi)節(jié)點(diǎn),單元邊界無(wú)法彎曲,造成單元變形過(guò)小。二者是相對(duì)立的兩個(gè)現(xiàn)象,都屬于有限元方法自身上的缺陷。 剪切閉鎖現(xiàn)象一般發(fā)生在出現(xiàn)彎曲變形的線性完全積分單元中(例如CPS4、CPE4、C3D8)。線性單元的直邊不能承受彎曲載荷作用,分析過(guò)程中可能出現(xiàn)本來(lái)不存在的虛假剪應(yīng)變,使單元的彎曲剛度過(guò)大,計(jì)算的位移值偏小,即單元的位移場(chǎng)不能模擬由于彎曲而引起的剪切變形彎曲變形,這就是所謂的“剪切閉鎖”現(xiàn)象。當(dāng)單元長(zhǎng)度厚度的數(shù)量級(jí)相同或長(zhǎng)度大于厚度時(shí),此現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重。如果懷疑模型中出現(xiàn)了剪切閉鎖現(xiàn)象,可以考慮采用非協(xié)調(diào)單元或者縮減積分單元。如果模型中網(wǎng)格扭曲非常厲害,僅僅改變單元類(lèi)型往往不會(huì)使計(jì)算結(jié)果得到很大的改進(jìn),劃分網(wǎng)格時(shí)盡可能保證單元形狀是規(guī)則的。

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