3d 与 2d 有限元法

计算科学 有限元
2021-12-05 08:08:56

3d 有限元方法的理论只是通过将平面相互叠加来组合 2d 有限元分析,或者,相对于 2d,一个更复杂和不同的理论适用于 3d?例如,我正在阅读 1970 年代的大坝设计手册,当时计算机的功耗很低,FEM 正在获得新的认可。它说可以通过制作 2d 然后将平面堆叠在一起来完成 3d 分析。但是现在,40 年后,3d 的逻辑还是一样,还是现在 3d 有了自己的理论,利用了更好的计算机能力?

2个回答

在固体力学中,3D 和 2D FEM 的本质区别在于 3D FEM 近似(“离散化”)了 3D 弹性方程,而 2D FEM 基于简化为二维的弹性方程。因此,理解 2D 或 3D FEM 的适用性实际上就是理解两种弹性理论的假设。

我从未见过用“将平面放在彼此之上”来解释结构 FEM。

我建议你看看这个网站:solidmechanics.org它从对弹性方程的全面介绍开始,包括对有限元方法的介绍,并包括一些 2D 和 3D FEM 的示例代码。

2D 和 3D 有限元的理论非常相似。在 2D 设置中,您将选择域的三角剖分(四面体/六面体网格),然后引入在这些元素上定义的适当基函数。在 2D FEM 中,您通常将单元的自由度与其相邻单元的自由度耦合。因此,如果您有一个每个单元格一个自由度的矩形 2D 网格,那么它可能与其他四个单元格相结合,在您的系统矩阵中生成一条线,其中包含五个条目。在 3D 中,您的耦合会增加,因为您的单元格有更多的直接邻居。

当您说“将 2D 平面彼此堆叠”时,您必须小心尊重垂直方向的耦合。

从 1D FEM 开始可能具有指导意义。“手动”进行离散化并写下结果矩阵。有几个例子有五个左右的元素,大约可以完成。30分钟。

从那里你可以移动到更高的维度。差异和相似之处将变得清晰。