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有限元法(FEM)入门指南

网格、刚度矩阵、边界条件——FEM核心概念通俗易懂的讲解。结合免费浏览器工具一起学习。

什么是有限元法?

有限元法(Finite Element Method,FEM)是求解工程问题(结构变形、温度分布、电磁场等)的数值方法,适用于复杂几何形状。该方法起源于20世纪60年代NASA的航空航天项目,现已成为所有主流CAE软件的核心算法。

基本思想:将连续体划分为有限个单元,在每个单元内用多项式近似解(如位移),然后求解所得方程组。

FEM工作流程

1. 几何建模与网格划分

将计算域离散化为三角形/四边形(2D)或四面体/六面体(3D)单元。在应力集中处细化网格,其他区域可适当粗化。

网格质量:单元长宽比应小于5:1,质量差的单元会降低计算精度。

2. 单元刚度矩阵

对每个单元:[k] = ∫[B]ᵀ[D][B]dV,其中[B]为应变-位移矩阵,[D]为材料本构矩阵。

3. 整体组装

按节点编号将各单元刚度矩阵组装成整体刚度矩阵[K]。

4. 施加边界条件

设定位移约束(固定支撑)和力/压力,使方程组[K]{u} = {F}可求解。

5. 求解与后处理

求解节点位移{u},再计算积分点处的应变和应力。

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