Метод скінченних елементів

Image

Метод скінченних елементів — це потужний чисельний підхід, який широко використовується для розв’язання складних інженерних та фізичних задач. Він дозволяє моделювати процеси в механіці, будівництві, теплофізиці, електродинаміці та інших галузях, де аналітичні розв’язки неможливі або дуже складні.

Що таке метод скінченних елементів

Метод скінченних елементів (МСЕ, англ. Finite Element Method, FEM) — це чисельний метод розв’язання диференціальних рівнянь, які описують фізичні процеси. Його суть полягає в розбитті області дослідження на невеликі, прості частини — скінченні елементи. У межах кожного елемента функції апроксимуються простими аналітичними виразами, що дозволяє значно спростити обчислення.

Цей метод застосовується для моделювання деформацій твердих тіл, теплопередачі, електричних та магнітних полів, а також у гідродинаміці.

Основні принципи

Основними етапами застосування методу скінченних елементів є:

  1. Дискретизація області — поділ складної геометрії на простіші елементи (трикутники, чотирикутники, тетраедри тощо).
  2. Вибір апроксимаційних функцій — визначення функцій, які описують змінні в межах кожного елемента.
  3. Формулювання слабкої форми рівнянь — перетворення диференціальних рівнянь у форму, придатну для чисельного розв’язання.
  4. Складання глобальної системи рівнянь — зведення локальних моделей елементів у загальну систему.
  5. Розв’язання системи — обчислення шуканих значень у вузлах елементів.
  6. Аналіз результатів — побудова графіків, візуалізація полів напружень, температур тощо.

Типи скінченних елементів

Скінченні елементи поділяються за:

  • Розмірністю:
    • 1D (стрижневі або балкові елементи),
    • 2D (трикутні, чотирикутні елементи),
    • 3D (тетраедральні, гексаедральні елементи).
  • Типом апроксимації:
    • Лінійні,
    • Квадратичні,
    • Кубічні тощо.
  • Призначенням:
    • Для аналізу деформацій,
    • Для моделювання теплопровідності,
    • Для електромагнітного аналізу.

Кожен тип елементів має свої особливості та область застосування, що визначається геометрією задачі та точністю, яку потрібно досягти.

Переваги та недоліки методу

Переваги

  • Можливість розв’язання складних геометричних задач;
  • Гнучкість при роботі з неоднорідними матеріалами та складними умовами;
  • Широка реалізація в програмному забезпеченні (ANSYS, Abaqus, COMSOL тощо);
  • Висока точність при достатньому розбитті сітки.

Недоліки

  • Високі обчислювальні витрати при великій кількості елементів;
  • Потреба у досвідченому користувачі для правильного формулювання задачі;
  • Можливі похибки при неправильному виборі сітки або граничних умов.

Метод скінченних елементів залишається одним з найважливіших інструментів інженера-аналітика, незважаючи на його складність та обчислювальні ресурси, що вимагаються.


Джерело:
Zienkiewicz, O. C., & Taylor, R. L. (2005). The Finite Element Method. Elsevier.
https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-6320-0.X5000-0

Новини

Показати більше