单元插值函数的方次随单元节点数目增加而增加,其代数精确度也随之提高,用它们构造有限元模型时,用较少的单元就能获得较高精度的解答。但前面给出的高精度单元的几何形状大多很规则,对复杂边界的适应性差,不能期望用较少的形状规则的单元来离散复杂几何形状的结构。那么,能否构造出本身形状任意、边界适应性强的高精度单元呢?构造这样的单元存在两个方面的困难:一是难以构造出满足连续性条件的单元插值函数;二是单元分析中出现的积分难以确定积分限。于是希望另辟蹊径,利用形状规则的高次单元通过某种演化来实现这一目标。
数学上,可以通过解析函数给出的变换关系,将一个坐标系下形状复杂的几何边界映射到另一个坐标系下,生成形状简单的几何边界,反过来也一样。那么,将满足收敛条件的形状规则的高精度单元作为基本单元,定义于局部坐标系(取自然坐标系),通过坐标变换映射到总体坐标系(取笛卡儿坐标系)中生成几何边界任意的单元,作为实际单元,只要变换使实际单元与基本单元之间的点一一对应,即满足坐标变换的相容性,实际单元同样满足收敛条件。这样构造的单元具有双重特性:作为实际单元,其几何特性、受力情况、力学性能都来自真实结构,充分反映了它的属性;作为基本单元,其形状规则,便于计算与分析。
有限单元法中最普遍采用的变换方法是等参数变换,即坐标变换和单元内的场函数采用相同数目的节点参数及相同的插值函数,等参数变换的单元称之为等参数单元。借助于等参数单元可以对一般的任意几何形状的工程问题和物理问题方便地进行有限元离散,因此,等参数单元的提出为有限单元法成为现代工程实际领域最有效的数值分析方法迈出了极为重要的一步。(www.xing528.com)
由于等参数变换时,等参数单元的各种特性矩阵计算在规则域内进行,因此不管各积分形式的矩阵中的被积函数如何复杂,都可以方便地采用标准化的数值积分方法计算,从而使各类不同工程实际问题的有限元分析纳入了统一的通用化程序的轨道,现在的有限元分析大多采用等参数单元。等参数单元主要涉及雅克比(Jacobi)矩阵,参数变换和单元矩阵变换相对繁琐,这里不再深入。
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