研究生實用有限元方法

⑴ 什麼是有限元法和有限差分法

有限元法（finite element method）是一種高效能、常用的數值計算方法。科學計算領域，常常需要求解各類微分方程，而許多微分方程的解析解一般很難得到，使用有限元法將微分方程離散化後，可以編製程序，使用計算機輔助求解。

有限差分方法（finite difference method）一種求偏微分（或常微分）方程和方程組定解問題的數值解的方法，簡稱差分方法。

(1)研究生實用有限元方法擴展閱讀：

有限差分法（FDM）的起源，討論其在靜電場求解中的應用。以鋁電解槽物理模型為例，採用FDM對其場域進行離散，使用MATLAB和C求解了各節點的電位。由此，繪制了整個場域的等位線和電場強度矢量分布。同時，討論了加速收斂因子對超鬆弛迭代演算法迭代速度的影響，以及具有正弦邊界條件下的電場分布。

有限差分方法(FDM)是計算機數值模擬最早採用的方法，至今仍被廣泛運用。

該方法將求解域劃分為差分網格，用有限個網格節點代替連續的求解域。有限差分法以Taylor級數展開等方法，把控制方程中的導數用網格節點上的函數值的差商代替進行離散，從而建立以網格節點上的值為未知數的代數方程組。

該方法是一種直接將微分問題變為代數問題的近似數值解法，數學概念直觀，表達簡單，是發展較早且比較成熟的數值方法。

⑵ 研究生要學的有限元是什麼東西

您好，哪個研究生專業會系統的學習有限元知識?是這樣的，有限元是一種求解偏微分方程離散求積方法。最初是搞數學的在搞，現在已經發站到各個應用行業了。如果是要從理論上分析應該是計算數學方向的研究方向之一。在其他領域，例如力學，物理之類的都有應用。不過現在的線性有限元是這些相關專業本科生的必修課，研究生一般都講的是非線性有限元了。建議如果想要學習這種理論方法就產考計算數學的相關書籍。如果僅僅是行業應用，看看行業相關的書籍就行了。歡迎向158教育在線知道提問。

⑶ 有限元有哪些具體的方法，各自的優劣

有限元法應該是在差分法基礎上建立起來的。有限元法：對物理模型進行離散，網格劃分不用規則，就是各種單元可以混合使用，所以寫不出方程也可以求解。差分法：劃分的網格是規則的，對方程進行離散化，就是用很多個差分代替微分，用線性方程組代替微分方程的一種方法。學地質應該不用太區了解 基本原理，要注重分析的過程，和看懂分析結果才重要，地質畢竟也是實際的工程領域。那些理論就讓物理專業，力學專業的研究去吧。

⑷ 請問有限元方法的基本原理是什麼

有限元方法的基本原理：將連續的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片的表示求解域上待求的未知場函數，近似函數通常由未知場函數及其導數在單元各節點的數值插值函數來表示。從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

將連續的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片的表示求解域上待求的未知場函數，近似函數通常由未知場函數及其導數在單元各節點的數值插值函數來表達。從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

(4)研究生實用有限元方法擴展閱讀：

有限元法常應用於流體力學、電磁力學、結構力學計算，使用有限元軟體ANSYS、COMSOL等進行有限元模擬，在預研設計階段代替實驗測試，節省成本。

用有限個單元將連續體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數值方法。有限元法把連續體離散成有限個單元：桿系結構的單元是每一個桿件；連續體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、六面體等）的單元體。

每個單元的場函數是只包含有限個待定節點參量的簡單場函數，這些單元場函數的集合就能近似代表整個連續體的場函數。根據能量方程或加權殘量方程可建立有限個待定參量的代數方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數值解。

有限元法已被用於求解線性和非線性問題，並建立了各種有限元模型，如協調、不協調、混合、雜交、擬協調元等。有限元法十分有效、通用性強、應用廣泛，已有許多大型或專用程序系統供工程設計使用。結合計算機輔助設計技術，有限元法也被用於計算機輔助製造中。

⑸ 有限元法有什麼特點和優勢

一、有限元法的特點：

1、把連續體劃分成有限個單元，把單元的交界結點(節點)作為離散點;

2、不考慮微分方程，而從單元本身特點進行研究。

3、理論基礎簡明，物理概念清晰，且可在不同的水平上建立起對該法的理解。

4、具有靈活性和適用性，適應性強。它可以把形狀不同、性質不同的單元組集起來求解，故特別適用於求解由不同構件組合的結構，應用范圍極為廣泛。

它不僅能成功地處理如應力分析中的非均勻材料、各向異性材料、非線性應力、應變以及復雜的邊界條件等問題，且隨著其理論基礎和方法的逐步完善，還能成功地用來求解如熱傳導、流體力學及電磁場領域的許多問題。

5、在具體推導運算過程中，廣泛採用了矩陣方法。

二、有限元法的優點

1、物理概念淺顯清晰，易於掌握。有限元法不僅可以通過非常直觀的物理解釋來被掌握，而且可以通過數學理論嚴謹的分析掌握方法的本質。

2、描述簡單，利於推廣。有限元法由於採用了矩陣的表達形式，從而可以非常簡單的描述問題，使求解問題的方法規范化，便於編制計算機程序，並且充分利用了計算機的高速運算和大量存儲功能。

3、方法優越。對於存在非常復雜的因素組合時候，比如不均勻的材料特性、任意的邊界條件、復雜的幾何形狀等混雜在一起的時候，有限元法都能靈活的處理和求解。

4、應用范圍廣。有限元法不僅能解決結構力學,彈性力學中的各種問題,而且隨著其理論基礎與方法的逐步改進與成熟,還可以廣泛地用來求解熱傳導、流體力學及電磁場等其他領域的諸多問題。不僅如此,在所有連續介質問題和場問題中,有限元法都得到了很好的應用。

⑹ 研究生在學習有限元課程前需要什麼數學知識

想要初步了解有限元的思想, 其實看看結構力學就可以了: 桿件是單元, 端點是結點; 單元內有單元剛度矩陣, 整個結構裡面結點的某個自由度的剛度來自於所有包含這個結點的單元的單元剛度之和. 然後你會進一步發現, 誠然, 任意長度, 任意空間位置下的一根桿件的單元剛度矩陣你都可以寫出來, 然而若是引入參數坐標架和Jacobian矩陣的概念, 一切都那麼顯然. 這就基本開始接觸一些單元的性質了.想要了解有限元的數學背景, 可以看一些Hilbert space的東西. 了解一下什麼叫弱解. 一個受力物體真實的形變, 就在於, 在連續介質的假設下, 物質是連續的, 且每個物質點都是內力+慣性力=外力. 而有限元意義下, 一個受力物體在某種形變場下, 各個節點的內力+慣性力=外力. 為什麼我們可以說有限元的解和真實的形變是一致的, 收斂的, 那麼就得看泛函了. 這裡面不少公式的推導用到了一些格林公式, 也就是面積分和體積分轉化什麼的, 可能得重新翻翻書才能想得起來.對於桿件的有限元, 還可以繼續深入到梁單元問題, 也就是每個節點包括位移和轉角自由度, 再深還可以弄明白Euler–Bernoulli梁和Timoshenko梁. 不過要明白梁或者桿單元還是停留在材料力學范疇. 有限元一個很大的應用就是實體單元解決彈性力學問題. 彈性力學本質上還是數學的東西, 應變的度量(運動學), 應力的度量(動力學), 應力應變關系(本構模型), 平衡方程等等. 然後還是一樣, 強形式弱形式等.然後你會接觸到實體單元, 以及各自的形函數. 對於參數單元, 你就會接觸到積分點這個概念. 結點-單元-積分點組成了實體單元求解彈塑性問題的重要部分. 你會發現哪怕兩種單元結點一樣, 但積分點的不同會導致結果完全不同. 這就牽涉到一些單元技術. 你若是了解了一些知識, 就會在網格劃分的時候避免很多一眼看不出來的錯誤. 譬如用實體單元模擬梁的彎曲的時候, 在彎曲的方向至少需要四層積分點, 否則誤差就會很大.

⑺ 什麼是有限元方法

中文名稱：有限元法
英文名稱：finite element method
定義：一種將連續體離散化為若干個有限大小的單元體的集合，以求解連續體力學問題的數值方法。 應用學科：水利科技（一級學科）；工程力學、工程結構、建築材料（二級學科）；工程力學（水利）（三級學科）
有限元法（finite element method）是一種高效能、常用的計算方法。有限元法在早期是以變分原理為基礎發展起來的，所以它廣泛地應用於以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中（這類場與泛函的極值問題有著緊密的聯系）。自從1969年以來，某些學者在流體力學中應用加權余數法中的迦遼金法(Galerkin)或最小二乘法等同樣獲得了有限元方程，因而有限元法可應用於以任何微分方程所描述的各類物理場中，而不再要求這類物理場和泛函的極值問題有所聯系。基本思想：由解給定的泊松方程化為求解泛函的極值問題。
原理：
將連續的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片的表示求解域上待求的未知場函數，近似函數通常由未知場函數及其導數在單元各節點的數值插值函數來表達。從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

⑻ 研究生在學習有限元課程前需要什麼數學知識

有限元法是 彈性力學為基礎，基於變分法和差分法基礎上建立的，

1. 基本的積分方程得會求解（彈性力學）

2. 線性代數，矩陣運算原理（有限元法實質上市求解線性方程組）

⑼ 讀有限元分析方向的研究生 選擇什麼專業

有限元分析這個專業比較偏物理和數學，對於化學和計算機信息管理統計這方面也有一定的涉獵，有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用於航空器的結構強度計算，並由於其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣，所以攻讀數學專業或者信息管理系統這兩個專業都是不錯的選擇。

PS：有限元分析是理科思維，對於一些管理方面的邏輯和推斷也是不錯的選擇。
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。

⑽ 如何學習有限元分析

ANSYS功能強大，也很吸引人，但真正是使其成為手中一把利劍的人少之又少。也許文章比較長，感謝你們有耐心把它讀完。

ANSYS，公認的難學、難用，但並非如我們想像的那樣難於上手，就像學習一門語言，與門之後在興趣的驅使下，還是能夠征服它的。

研究生階段，使用ANSYS完成了863項目子課題-尿素合成塔數值模擬系統的開發工作（開發平台-ANSYS）,有了這種經歷，自己也有膽出來把經驗分享出來了。

一：如何入門？

ANSYS難學，是因為入門難，目前國內有大量的ANSYS書籍，而且都有一個很挺的名字，但一個又一個的初學者發現，在學完這些擁有靚麗名字的ANSYS書籍之後，碰到問題依然是一頭霧水，不知道如何下手，心裡上首先產生了一種畏懼心理，以為是ANSYS軟體本身難學的原因，其實這本身並非是軟體的問題，也不是個人的不努力，而是努力的方向不對。

想要會用而不是學好ANSYS，首先，要加深對ANSYS的理解，也就是它是怎麼工作的，明白了這些再拿到問題就不會無從下手，而ANSYS是如何工作從國內這些大多數書籍上（很多是直接翻譯ANSYS英文幫助，這是一種誤人子弟和不負責任的做法）是學不到的。ANSYS這款軟體包括前處理、求解和後處理三部分，前處理主要是建立模型什麼的並不難理解，後處理是等計算完畢用來處理計算結果的，關鍵是在求解這一部分，把這一部分理解好了就會撥開迷霧見到陽光了。

ANSYS工作過程是這樣的：

（1）我們在前處理模塊建立模型也就是我們看到的工程系統的外形（稱為有限元實體模型）；

（2）建立出來模型之後，我們要將其轉化為有限元模型，在這部分我們需要選擇單元類型，輸入材料參數和匹配單元與模型相應部位的對應關系。ANSYS計算出來的都是變位（也就是模型的位移），然後通過位移導出應變，再使用應變值導出應力值（輸入材料參數就是為了使用應變算出應力值），當然這些都是在程序內部完成的，這里我們遇到一個新的問題就是單元如何選取得問題，究竟選擇什麼樣的單元合適，對初學者來說去詳細的了解單元的詳細屬性還不太現實，所以建議查閱資料看看別人用的單元類型，因為我們現在還只是處在入門階段，想要真正做到熟練應用各種單元進行不同問題的分析，我推測國內真正做到的人還沒有出現，除非他是在扯淡，因為ANSYS單元庫本身也只有100多種單元，不可能適用於所有單元。等我們選擇了某種單元，輸入了相應的材質參數（這個比較確定，各種材料有其固定的參數，比如E）之後，我們可以我們的模型進行網格劃分，這是把實體模型轉化為有限元模型的過程，任何一本ANSYS書籍上都有如何劃分網格的詳細介紹，不詳述。

（3）劃分完網格後的模型，其實已經確定了內部各個單元應力是如何傳遞的，求解過程其實就是一個解方程組得過程，解前面通過單元網格劃分得出的大量方程組，計算機去完成好了。

所以，再拿到一個問題後，我們要進行分析可以按以下步驟完成：

（1） 建立實體模型；（2）選擇單元類型，劃分網格；（3）求解；

而在這些步驟中遇到一些問題，則隨著對ANSYS軟體本身的慢慢熟悉，會越來越得心應手，這不是學習ANSYS真正難得地方，各位不需要再這個方面畏懼。

二：當我們對ANSYS的操作比較熟練了以後，我們可以進入下一步的學習，拿到一個問題如何進行大體上正確的分析？

我們拿到問題進行有限元分析，首先要分析這個問題進行有限元分析想要得到的結果數據，比如應力場、溫度場等等，其次，當我們知道了我們想要得到什麼數據後，我們要學習通過什麼能夠得到這些數據，比如我們要想得到某結構的應力場，我們可以通過位移算出應變，通過應變算出應力，這時需要我們查閱相關資料得到通過彈性模量、楊氏模量和應變能夠計算出應力的信息，這時我們就會知道在材料參數里需要輸入彈性模量、楊氏模量才能得到應力值，而如何輸入這些變數，只是對ANSYS操作的熟練程度而已，不知道的也能夠查到怎樣操作，而進行其它方面的計算都是如此，我們之所以一頭霧水，是因為我們不知道能夠通過什麼得到我們需要的數據，而一旦知道了這些需要材料參數我們就會信心大增了。然後需要我們選擇單元，這時如果我們沒有很長時間的有限元分析經驗，這方面我們會很迷茫，這也確實沒有什麼好的方法，我們可以查閱ANSYS幫助文件（現在有一本ANSYS中文幫助指南的小冊子講述了某些單元的一些細節）里關於哪些單元適用於那些場合的指南。把這些確定下來後我們的問題解決方案已經確定了，後面的求解的設置什麼的可以通過大量的練習來熟悉。有了這些基礎我們可以進行我們拿到問題上大致准確的有限元分析過程，至於是否真正的正確，還需要進一步的驗證。

三、ANSYS高手應該達到的境界!

一名真正意義上的高手應該達到這樣的境界：

拿到一個具體的問題後，察看本領域的最新理論研究成果，如進行尿素合成塔分析，考慮層板間，想要得到層板應力場，我們要查閱前人如何計算尿素合成塔層板的應力場的，現在有沒有最新的研究成果，然後利用這些公式到ANSYS單元庫里去查找單元看看時候存在這樣的單元專門針對這種問題是按照這種計算公式來作為基礎開發單元的，如果有那就再好不過了，如果沒有則需要分析人員利用本領域最新的科研成果結合自己在ANSYS二次開放方面的知識，從二次開發的角度開發新的用於該問題的專門單元（這個過程比較難，但並不是不可完成，因為ANSYS本身已經開發出來100多種單元，而且只有這樣的分析才是足夠專業和令人信服的），否則，那隻能是近似的結果了，我們用這種新開發的單元來作分析的話，即使不能做到真正與現實情況一致，但至少是最接近於真實應力場分布的分析，因為這是以最新的理論研究為基礎做的分析。

所以，想真正的學好ANSYS,不但要知道怎樣操作，而且要知道如何擴充ANSYS,使他能夠完成自己需要的功能，使它成為自己獨一無二的ANSYS版本，這也是我們學習任何一款有限元軟體的方向，否則我們就無法做到隨心所欲、無所不能的使用這些利劍完成各種各樣的分析