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积分点和单元节点的区别

 纵然不是我识秋 2019-09-25

2013年06月14日 09:54:56 zhuxianjianqi 

学过数值积分的应该知道,有限元中的积分点指高斯积分点,因为这些的收敛性好,精度高。

1. 节点
    在单元内,采用形函数来表述单元内变量的分布规律。而节点值是在节点处的对应物理量。
以简单矩形单元的温度为例:四个节点i,j,m,n的温度分别为Ti,Tj,Tm,Tn.
则以单元内自然坐标(x,y),(-1,-1),(-1,1),(1,-1),(1,1)分别为四个节点单元内温度分布为:

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)

(单元的形函数我们可以从手册中查到)
从而我们知道了温度在单元内的分布。
2. 积分点
    我们需要对温度在单元内的面积上进行积分时,因为节点的温度显然x,y无关,我们只需要考虑对形函数积分。采用Gauss_Legendre多项式计算积分时,我们只需要计算根据特定积分点的值(在自然坐标系下是固定的,可以查手册,这些也叫高斯积分点)并加以权重就可以。这就把复杂的积分问题变成了简单的代数问题。因为形函数只与单元有关,所以积分点也只单元形状有关。
    应力一般采用多个积分点的相互插值或外延来计算节点应力。这只是为了减少误差。因为在积分点应力比节点具有更高阶的误差。
    从理论上说,形函数已知后,用Maple或者Mathematic等软件进行符号积分的话,是可以精确计算出刚度矩阵质量矩阵,但是这样做的话,对于工程实际应用来说并不合适。
原因:1,费时;2,Mindlin中厚板剪力锁死问题,时候需要采用缩聚积分),所以些书上会把2节点单元的刚度阵直接写出来,但是再复杂单元,就使用数值积分(Newton-Cotes积分和高斯积分
牛顿-科斯的积分点就是节点,这样得到的质量矩阵是集中质量阵形式

个人理解:

1.节点作用:构造形函数,节点的多少描述规则形状单元内的应力的近似分布情况,并获取节点上的位移值

2.积分点作用:构造规则形状单元曲边(曲面)单元的转化的变换函数,积分点的选取多少选取的位置直接关系到这种“映射”的精确程度,刚度矩阵、边界条件的转化都用到了坐标变换的积分关系,一般取高斯积分点能使被积函数计算精度尽量高。对于newton-cote积分点的选取,这种“映射”看起来,节点和积分点是同一个位置或说是同一点,而对于高斯积分点位置与节点是不同的。

如下结果:

 1.由于高斯积分点的这种变换比较高,在方程求解结束,返回积分点上的应力解比较准确。
 2.至于Mindlin中厚板剪力锁死问题,采用缩聚积分,也是应为这种坐标的变换关系(可见《有限单元法基本原理数值方法p345页10.4.11式可知),力的边界条件只有剪切,采用缩聚积分可以较大降低剪切力的影响,但是也可能引起刚度矩阵的奇异,所以对于中厚板的积分点选取不同一般的方案。

1.ANSYS手册(Chapter 13)上列出各种单元积分点位置。
2.王瑁成的《有限单元法》第五章,解释为什么积分点应力更加精确。

3.因为积分点应力更精确,所以我们一般采用积分点的应力内插或外延确定节点应力。特殊情况除外。

单元节点和积分点是不同的两个概念!
积分点是在进行函数积分的时候,为了增加精度,选取的积分点,也就是高斯积分
单元节点
是你选取单元的时候就已经定下的

一定单元节点,但不一定积分点

    在网格划分完了所有的节点就都给定了,就是你网格中的每个,他是有限元模型中“真实存在”的。但是高斯纯粹是因为高斯积分这种积分方式引入的。数值分析告诉我们,数值积分有很多方法,比如辛普森积分,高斯积分等,比如说,如果你采用辛普森积分就不存在高斯这个概念,只有当你采用高斯积分才会高斯,不过有限元大多都采用高斯积分。;看过高斯积分就知道高斯是怎么一回事了。
有限元求解的结果是每个节点的位移,然后通过形函数插值得到单元任何一个的位移,当然可以计算出高斯积分点的位移。至于应力,一般是先求解出高斯出的应力,然后通过平均化的技术平均到每个节点上,高斯处的应力精度最高,节点最差。

   沙漏现象由于积分点过少造成单元变形过大,剪力自锁由于没节点单元边界无法弯曲,造成单元变形过小。二者是相对立的两个现象,都属于有限元方法自身上的缺陷。 剪切闭锁现象一般发生在出现弯曲变形的线性完全积分单元中(例如CPS4、CPE4、C3D8)。线性单元的直边不能承受弯曲载荷作用,分析过程中可能出现本来不存在的虚假剪应变,使单元的弯曲刚度过大,计算的位移值偏小,即单元的位移场不能模拟由于弯曲而引起的剪切变形弯曲变形,这就是所谓的“剪切闭锁”现象。当单元长度厚度的数量级相同或长度大于厚度时,此现象会更严重。如果怀疑模型中出现了剪切闭锁现象,可以考虑采用非协调单元或者缩减积分单元。如果模型中网格扭曲非常厉害,仅仅改变单元类型往往不会使计算结果得到很大的改进,划分网格时尽可能保证单元形状是规则的。

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