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论述有限元单元划分的要求(有限元单元形状和大小对于计算精度的影响)

时间:2023-08-02 作者: 小编 阅读量: 3 栏目名: 高考资讯

鉴于这个原因,笔者决定对一些基本问题展开调查。因此,如果我们是用长宽比为24的单元进行划分的话,那么我们的结果可以说是完全错误的。这就意味着,当单元增加时,得到的位移增加,而收敛于精确位移解。既能够保证单元内的连续,又能够保证单元间的连续的形函数称为协调函数。这是形函数的完整性问题。

来源:新浪宋博士的博客

作者:宋少云教授,武汉轻工大学

笔者发现,在分析复杂问题时,我们所可能出现的错误,竟然是一些很根本的错误,这些根本错误是由于对有限元的基本理论理解不清晰而造成的。鉴于这个原因,笔者决定对一些基本问题(例如单元形状问题,单元大小问题等)展开调查。

单元形状我们知道,单元形状对于有限元分析的结果精度有着重要影响,而对单元形状的衡量又有着诸多指标,为便于探讨,这里首先只讨论第一个最基本的指标:长宽比(四边形单元的最长尺度与最短尺度之比),而且仅考虑平面单元的长宽比对于计算精度的影响。

为此,我们给出一个成熟的算例。该算例是一根悬臂梁,在其端面施加竖直向下的抛物线分布载荷,我们现在考察用不同尺度的单元划分该梁时,对于A点位移的影响。

这五种不同的划分方式都使用矩形单元,只不过各单元的长宽比不同。

例如:

第一种 (1) AR=1.1,就是长宽比接近1;

第二种 (2) AR=1.5,就是长宽比是1.5.其它类推。

第五种 (5) AR=24,此时单元的长度是宽度的24倍。

现在我们看看按照这五种单元划分方式对于A点位移的影响,顺便我们也算出了B点的位移,结果见下表。

各种长宽比结果的比较

我们现在仔细查看一下上表,并分析其含义:

我们先考虑第一行,它是第一种单元划分情况,此时每个单元的长宽比是1.1,由此我们计算出A点、B点的垂直位移,可以看到,A点的竖直位移是-1.093英寸,而B点的竖直位移是-0.346英寸。而这两点我们都是可以用弹性力学的方式得到精确解的,其精确解分别是-1.152以及-0.360.这样,我们可以得到此时A点位移误差的百分比是:

[(-1.093)-(-1.152)]/1.152 = 5.2%

对于其它情况,也采用类似的方式得到A点位移误差的百分比。

从上表可以看出来,随着长宽比的增加,位移误差越来越大,竟然大到56%。因此,如果我们是用长宽比为24的单元进行划分的话,那么我们的结果可以说是完全错误的。

下面按照上表绘制出一张图,该图从形象的角度表达了上表的含义。

由此可见,长宽比越接近于1,那么结算结果越精确;越远离1,则误差越大。

因此,我们在进行有限元分析时,应该尽量保证划分的单元长宽比接近1,这意味着,如果我们使用了四边形单元,则最好是正方形单元;如果使用了三角形单元,则最好是等边三角形。

当然,对于一个复杂的零件而言,我们很难保证每个单元都满足这些要求,但是,我们一定要确保,在我们所关注的地方,例如应力最大的地方,单元形状要接近这一点,否则,我们得到的解就是不可相信的。

但是上述结果也告诉我们,即便是最好形状的单元(情况1,长宽比为1.1),结果的计算精度也不容乐观,其误差达到5.2%,那么,我们可以得到更高精度的解答吗?

单元大小

理论上可以证明,如果插值函数使用了“协调和完整的位移函数”,则当网格尺寸逐渐减小而单元数量增加时,解就会单调收敛。

而且,当单元数目增加时,得到的刚度会降低,并收敛于真实刚度。这就意味着,当单元增加时,得到的位移增加,而收敛于精确位移解。其图形如下:

这里所说的“协调和完整位移函数”,是指:

  • 近似函数式一般是多项式;
  • 近似函数在单元内要保持连续;
  • 近似函数应提供单元间的连续性,包括离散单元每一个节点所有自由度都应该是连续的,二维单元和三维单元沿着公共边界线和公共面必须是连续的。既能够保证单元内的连续,又能够保证单元间的连续的形函数称为协调函数。
  • 近似函数应考虑刚体位移和单元内的常应变状态。即有常数项保证刚体运动(无应变的运动),而有一次项保证有常应变状态发生。这是形函数的完整性问题。

例如:对于一维单元而言,若取形函数

则同时满足上面四个条件,称为协调且完整的位移函数。

一般来说,我们所用的单元使用的位移函数都满足上述四个条件,所以从理论上来说,只要网格加密,就可以收敛于真实解。

为了验证上述理论的真实性,我们选用了一个材料力学中的例子来做仿真。该例子如下:

T形截面铸铁梁的载荷和截面尺寸如图所示。铸铁的许用拉应力为[σt]=30MPa,许用压应力为[σc]=160MPa。已知截面对形心轴z的惯性矩为Iz=763cm4,y1=52mm,校核梁的强度。铸铁的弹性模量为100GPa,泊松比为0.25。

使用材料力学的理论进行求解,简要过程如下:

解:

最大正弯矩在截面C上

最大负弯矩在截面B上

B截面

C截面

使用ANSYS进行分析,使用BEAM188单元,首先创建如图所示的几何模型

然后分别对各段直线加密网格划分,得到的结果如下:

上表中,第一列是划分的单元数;第二列是最大的压应力;第三列是最大的拉应力。可以看到,随着单元数目的增加,最大拉伸,压缩应力的绝对值都在增加。

从材料力学得到的精确解,最大的压应力是-46.2MPa,最大的拉应力是28.8MPa。这样,当单元数增加到64个时,压应力的误差是 (46.2-45.7)/46.2 =1.1%;拉应力的精度是 (28.8-28.6)/28.8=0.7%。此时精度已经相当高了。

可以明显的看出,随着单元数目的增加,应力解的确是在逐渐逼近真实解。从这个方面来说,加密网格的确是提高计算精度的有效方法。

这也意味着,我们在有限元仿真中,如果要得到精确的结果,必须不断细分网格,直到结果收敛。否则,我们的得到结果就是不可信的。

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