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積分點和單元節(jié)點的區(qū)別

 縱然不是我識秋 2019-09-25

2013年06月14日 09:54:56 zhuxianjianqi 

學(xué)過數(shù)值積分的應(yīng)該知道,有限元中的積分點指高斯積分點,因為這些的收斂性好,精度高。

1. 節(jié)點
    在單元內(nèi),采用形函數(shù)來表述單元內(nèi)變量的分布規(guī)律。而節(jié)點值是在節(jié)點處的對應(yīng)物理量。
以簡單矩形單元的溫度為例:四個節(jié)點i,j,m,n的溫度分別為Ti,Tj,Tm,Tn.
則以單元內(nèi)自然坐標(biāo)(x,y),(-1,-1),(-1,1),(1,-1),(1,1)分別為四個節(jié)點,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)我們可以從手冊中查到)
從而我們知道了溫度在單元內(nèi)的分布。
2. 積分點
    我們需要對溫度在單元內(nèi)的面積上進(jìn)行積分時,因為節(jié)點的溫度顯然x,y無關(guān),我們只需要考慮對形函數(shù)積分。采用Gauss_Legendre多項式計算積分時,我們只需要計算根據(jù)特定積分點的值(在自然坐標(biāo)系下是固定的,可以查手冊,這些也叫高斯、積分點)并加以權(quán)重就可以。這就把復(fù)雜的積分問題變成了簡單的代數(shù)問題。因為形函數(shù)只與單元有關(guān),所以積分點也只單元形狀有關(guān)。
    應(yīng)力一般采用多個積分點的相互插值或外延來計算節(jié)點應(yīng)力。這只是為了減少誤差。因為在積分點應(yīng)力比節(jié)點具有更高階的誤差。
    從理論上說,形函數(shù)已知后,用Maple或者M(jìn)athematic等軟件進(jìn)行符號積分的話,是可以精確計算出剛度矩陣質(zhì)量矩陣,但是這樣做的話,對于工程實際應(yīng)用來說并不合適。
原因:1,費時;2,Mindlin中厚板剪力鎖死問題,時候需要采用縮聚積分),所以些書上會把2節(jié)點單元的剛度陣直接寫出來,但是再復(fù)雜單元,就使用數(shù)值積分(Newton-Cotes積分和高斯積分
牛頓-科斯的積分點就是節(jié)點,這樣得到的質(zhì)量矩陣是集中質(zhì)量陣形式

個人理解:

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

2.積分點作用: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,一般取高斯積分點能使被積函數(shù)計算精度盡量高。對于newton-cote積分點的選取,這種“映射”看起來,節(jié)點和積分點是同一個位置或說是同一點,而對于高斯積分點位置與節(jié)點是不同的。

如下結(jié)果:

 1.由于高斯積分點的這種變換比較高,在方程求解結(jié)束,返回積分點上的應(yīng)力解比較準(zhǔn)確。
 2.至于Mindlin中厚板剪力鎖死問題,采用縮聚積分,也是應(yīng)為這種坐標(biāo)的變換關(guān)系(可見《有限單元法基本原理數(shù)值方法p345頁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,所以對于中厚板的積分點選取不同一般的方案。

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

3.因為積分點應(yīng)力更精確,所以我們一般采用積分點的應(yīng)力內(nèi)插或外延確定節(jié)點應(yīng)力。特殊情況除外。

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

一定單元節(jié)點,但不一定積分點

    在網(wǎng)格劃分完了所有的節(jié)點就都給定了,就是你網(wǎng)格中的每個,他是有限元模型中“真實存在”的。但是高斯純粹是因為高斯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,如果你采用辛普森積分就不存在高斯這個概念,只有當(dāng)你采用高斯積分才會高斯,不過有限元大多都采用高斯積分。;看過高斯積分就知道高斯是怎么一回事了。
有限元求解的結(jié)果是每個節(jié)點的位移,然后通過形函數(shù)插值得到單元任何一個的位移,當(dāng)然可以計算出高斯積分點的位移。至于應(yīng)力,一般是先求解出高斯出的應(yīng)力,然后通過平均化的技術(shù)平均到每個節(jié)點上,高斯處的應(yīng)力精度最高,節(jié)點最差。

   沙漏現(xiàn)象由于積分點過少造成單元變形過大,剪力自鎖由于沒節(jié)點單元邊界無法彎曲,造成單元變形過小。二者是相對立的兩個現(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,分析過程中可能出現(xiàn)本來不存在的虛假剪應(yīng)變,使單元的彎曲剛度過大,計算的位移值偏小,即單元的位移場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)單元長度厚度的數(shù)量級相同或長度大于厚度時,此現(xiàn)象會更嚴(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,僅僅改變單元類型往往不會使計算結(jié)果得到很大的改進(jìn),劃分網(wǎng)格時盡可能保證單元形狀是規(guī)則的。

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