走进有限元算法:基于 Python 的有限元分析框架 Feon

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走进有限元算法:基于 Python 的有限元分析框架 Feon

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Feon 是以有限元编程教学和算法研究为目的,基于 Python 开发的有限元分析框架,其开发者为湖南工业大学土木建筑与环境学院的 Dr. Pei Yaoyao。目前的版本为 1.0.0 版本。

1. 安装方法

安装 Feon 之前,首先需要安装拓展包:Numpy、可视化组件 Matplotlib、矩阵运算 Mpmath。

安装有两种途径:

Using pip:$pip install feon

或者

$Python setup.py install 

框架工包含三个包:

sa:结构分析包 ffa:流体分析包 derivation:刚度矩阵包 2. 支持的单元类型 Spring1D11 - 一维弹簧单元 Spring2D11 - 二维弹簧单元 Spring3D11 - 三维弹簧单元 Link1D11 - 一维杆单元 Link2D11 - 二维弹簧单元 Link3D11 - 三维弹簧单元 Beam1D11- 一维梁单元 Beam2D11- 二维弹簧单元 Beam3D11- 三维弹簧单元 Tri2d11S---- 平面应力三角形单元 Tri2D11 ---- 平面应变三角形单元 Tetra3D11 ---- 四面体单元 Quad2D11S ---- 平面应力四边形单元 Quad2D11  ---- 平面应变四边形单元 Plate3D11 ---Midline 板单元 Brick3D11 --- 六面体单元

单元命名方式为 "Name" + "dimension" + 'order" + "type", type 1 means elastic .

3. 解决算例 3.1 二维桁架问题

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# -*- coding: utf-8 -*-# ------------------------------------#  Author: YAOYAO PEI#  E-mail: [email protected]#  License: Hubei University of Technology License# -------------------------------------from feon.sa import *from feon.tools import pair_wisefrom feon.sa.draw2d import *import matplotlib.pyplot as pltfrom matplotlib.ticker import MultipleLocatorif __name__ == "__main__":    #material property    E = 210e6 #elastic modulus     A1 = 31.2e-2 #cross-section area of hanging bars    A2 = 8.16e-2 #cross-section area of others    #create nodes and elements    nds1 = []    nds2 = []    for i in range(13):        nds1.append(Node(i,0))    for i in range(11):        nds2.append(Node(i+1,-1))    els = []    for e in pair_wise(nds1):        els.append(Link2D11((e[0],e[1]),E,A1))    for e in pair_wise(nds2):        els.append(Link2D11((e[0],e[1]),E,A1))    for i in range(6):        els.append(Link2D11((nds1[i],nds2[i]),E,A2))    for i in xrange(6):        els.append(Link2D11((nds2[i+5],nds1[i+7]),E,A2))    for i in range(11):        els.append(Link2D11((nds1[i+1],nds2[i]),E,A2))    #create FEA system    s = System()        #add nodes and elements into the system    s.add_nodes(nds1,nds2)    s.add_elements(els)    #apply boundry condition    s.add_node_force(nds1[0].ID,Fy = -1000)    s.add_node_force(nds1[-1].ID,Fy = -1000)    for i in range(1,12):        s.add_node_force(nds1[i].ID,Fy = -1900)    s.add_fixed_sup(nds1[0].ID)    s.add_rolled_sup(nds1[-1].ID,"y")    #solve the system    s.solve()    #show results    disp = [np.sqrt(nd.disp["Ux"]**2+nd.disp["Uy"]**2) for nd in s.get_nodes()]        eforce = [el.force["N"][0][0] for el in s.get_elements()]    fig = plt.figure()    ax = fig.add_subplot(211)    ax.yaxis.get_major_formatter().set_powerlimits((0,1))     ax2 = fig.add_subplot(212)    ax2.yaxis.get_major_formatter().set_powerlimits((0,1))     ax.set_xlabel(r"$Node ID$")    ax.set_ylabel(r"$Disp/m$")    ax.set_ylim([-0.05,0.05])    ax.set_xlim([-1,27])    ax.xaxis.set_minor_locator(MultipleLocator(1))    ax.plot(range(len(disp)),disp,"r*-")    ax2.set_xlabel(r"$Element ID$")    ax2.set_xlim([-1,46])    ax2.set_ylabel(r"$N/kN$")    ax2.set_ylim(-40000,40000)    ax2.xaxis.set_minor_locator(MultipleLocator(1))    for i in range(len(eforce)):        ax2.plot([i-0.5,i+0.5],[eforce[i],eforce[i]],"ks-",ms = 3)    plt.show()    draw_bar_info(els[5]) 3.2 带铰接点的钢架问题

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# -*- coding: utf-8 -*-# ------------------------------------#  Author: YAOYAO PEI#  E-mail: [email protected]#  License: Hubei University of Technology License# -------------------------------------from feon.sa import *from feon.tools import pair_wise#define beamlink elementclass BeamLink2D11(StructElement):    def __init__(self,nodes,E,A,I):        StructElement.__init__(self,nodes)        self.E = E        self.A = A        self.I = I    #define node degree of freedom, left node has three dofs    #while the right node has only two    def init_unknowns(self):        self.nodes[0].init_unknowns("Ux","Uy","Phz")        self.nodes[1].init_unknowns("Ux","Uy")        self._ndof = 3    #transformative matrix    def calc_T(self):        TBase = _calc_Tbase_for_2D_Beam(self.nodes)        self._T = np.zeros((6,6))        self._T[:3,:3] = self._T[3:,3:] = TBase    #stiffness matrix    def calc_ke(self):        self._ke = _calc_ke_for_2D_beamlink(E = self.E,A = self.A,I = self.I,L = self.volume)def _calc_ke_for_2D_beamlink(E = 1.0,A = 1.0,I = 1.0,L = 1.0):    a00 = E*A/L    a03 = -a00    a11 = 3.*E*I/L**3    a12 = 3.*E*I/L**2    a14 = -a11    a22 = 3.*E*I/L    T = np.array([[a00,  0.,   0.,  a03,  0.,0.],                  [0., a11,  a12,  0., a14, 0.],                  [0., a12,  a22,  0.,-a12, 0.],                  [a03,  0.,   0., a00,  0., 0.],                  [0., a14, -a12,  0., a11, 0.],                  [0.,  0.,    0.,  0., 0., 0.]])    return T    def _calc_Tbase_for_2D_Beam(nodes):        x1,y1 = nodes[0].x,nodes[0].y    x2,y2 = nodes[1].x,nodes[1].y    le = np.sqrt((x2-x1)**2+(y2-y1)**2)    lx = (x2-x1)/le    mx = (y2-y1)/le    T = np.array([[lx,mx,0.],                  [-mx,lx,0.],                  [0.,0.,1.]])                      return Tif __name__ == "__main__":    #materials    E = 210e6    A = 0.005    I = 10e-5    #nodes and elements    n0 = Node(0,0)    n1 = Node(0,3)    n2 = Node(4,3)    n3 = Node(4,0)    n4 = Node(4,5)    n5 = Node(8,5)    n6 = Node(8,0)    e0 = Beam2D11((n0,n1),E,A,I)    e1 = BeamLink2D11((n1,n2),E,A,I)    e2 = Beam2D11((n2,n3),E,A,I)    e3 = Beam2D11((n2,n4),E,A,I)    e4 = Beam2D11((n4,n5),E,A,I)    e5 = Beam2D11((n5,n6),E,A,I)        #system    s = System()    s.add_nodes([n0,n1,n2,n3,n4,n5,n6])    s.add_elements([e0,e1,e2,e3,e4,e5])    s.add_node_force(1,Fx = -10)    s.add_node_force(5,Fx = -10)    s.add_fixed_sup(0,3,6)    s.solve()    print n2.disp    print e1.force 3.3 地下连续墙问题

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