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有限ゆうげん要素ようそほう

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有限ゆうげん要素ようそほう(ゆうげんようそほう、英語えいご: Finite Element Method, FEM)は数値すうち解析かいせき手法しゅほうひとつ。 解析かいせきてきくことがむずかしい微分びぶん方程式ほうていしき近似きんじかい数値すうちてき方法ほうほうひとつであり[1][2][3][4]、 Turner-Clough-Martin-Toppによって導入どうにゅうされた[5]方程式ほうていしき定義ていぎされた領域りょういきしょう領域りょういき要素ようそ)に分割ぶんかつし、かくしょう領域りょういきにおける方程式ほうていしき比較的ひかくてき単純たんじゅん共通きょうつう補間ほかん関数かんすう近似きんじする[3]構造こうぞう力学りきがく分野ぶんや発達はったつ[6]分野ぶんやでもひろ使つかわれている手法しゅほうである。その背景はいけいとなる理論りろんは、関数かんすう解析かいせき(リースの表現ひょうげん定理ていりラックス=ミルグラムの定理ていりなど)とむすびついて、数学すうがくてき整然せいぜんとしている[1][2][注釈ちゅうしゃく 1][7]

FEMをもちいて現象げんしょう研究けんきゅう分析ぶんせきすることを「有限ゆうげん要素ようそ解析かいせき(FEA)」とぶことがある。

特徴とくちょう[編集へんしゅう]

  • かくしょう領域りょういきないいち関数かんすう補間ほかん近似きんじ空間くうかんもとかい空間くうかん部分ぶぶん空間くうかんになる場合ばあいはあるしゅ射影しゃえいもとめることになる)した場合ばあいぜん領域りょういきでは適切てきせつノルムたいして最良さいりょう近似きんじであることがしめされる[注釈ちゅうしゃく 2]
  • 線形せんけい問題もんだい[8]非線形ひせんけい問題もんだい[9][10]動的どうてき解析かいせき[11][12][13]など、さまざまな問題もんだい対応たいおうできる。これは、近似きんじ方程式ほうていしきつくかた領域りょういき形状けいじょうについて、自由じゆうたかいことに起因きいんする[1][2][3]
  • FEMでは、変動へんどう微分びぶんほうもちいて、誤差ごさ関数かんすう最小さいしょうすることでかい近似きんじする。

メッシュ[編集へんしゅう]

  • 領域りょういき全体ぜんたいをより単純たんじゅん部分ぶぶん細分さいぶんすることには、以下いかのような利点りてんがある。
    複雑ふくざつ形状けいじょう正確せいかく表現ひょうげんできる。異種いしゅ材料ざいりょう特性とくせいあたえることができる。トータルソリューションの表現ひょうげん容易ようい局所きょくしょてき効果こうか把握はあくできる。
  • 計算けいさんのためしょう領域りょういき分割ぶんかつすることを「メッシュる」といういいかたをする。メッシュの適切てきせつさは解析かいせき結果けっか正確せいかくさにおおきく影響えいきょうする。
  • FEMは工学こうがくてき解析かいせきおこなうための計算けいさんツールとしてもひろもちいられる。FEMをもちいたCAEソフトウエアでは、複雑ふくざつ幾何きか形状けいじょう微小びしょう要素ようそ分割ぶんかつするメッシュを自動じどう生成せいせいする機能きのうをもつものがある。ただしそうした場合ばあい形状けいじょう特異とくいてんあつかいにをつける必要ひつようがある。(構造こうぞう解析かいせきにおけるすみなど)
  • 自動車じどうしゃ石油せきゆパイプラインのような複雑ふくざつ解析かいせきや、境界きょうかい移動いどうする固体こたい反応はんのうのように領域りょういき変化へんかする場合ばあいや、必要ひつよう精度せいど領域りょういき全体ぜんたい変化へんかする場合ばあいや、かいなめらかでない場合ばあいなどにはFEMはとくてきしている。FEMではメッシュのあらさを調整ちょうせいすることで解析かいせき計算けいさんコストをおさえることができる。(変化へんかおおきく重要じゅうよう部分ぶぶんはメッシュをこまかくし予測よそく精度せいどたかめ、変化へんかちいさい部分ぶぶん予測よそく精度せいどげる必要ひつようがないのでメッシュをあらくし、計算けいさんりょうらす。)たとえば、自動車じどうしゃ正面しょうめん衝突しょうとつシミュレーションでは、くるま前部ぜんぶなど重要じゅうよう領域りょういきはメッシュをこまかくし、後部こうぶのメッシュをあらくする。また数値すうち気象きしょう予報よほうでは、比較的ひかくてきおだやかな場所ばしょよりも、高度こうど非線形ひせんけい現象げんしょう発生はっせいしている場所ばしょ大気たいきちゅう熱帯ねったいてい気圧きあつ海洋かいよううずなど)を正確せいかく予測よそくすることが重要じゅうようになる。

アルゴリズム[編集へんしゅう]

  • 解析かいせき対象たいしょう領域りょういきない方式ほうしきポアソン方程式ほうていしきなど)にたいしてあるおも関数かんすうせきほどこし、それを領域りょういきない積分せきぶんしたじゃく形式けいしき形成けいせいする。
  • 解析かいせき領域りょういき内部ないぶちいさな有限ゆうげん範囲はんい要素ようそ分割ぶんかつする。一般いっぱんてきに、要素ようそはその境界きょうかい節点せってん配置はいちされ、要素ようそ内部ないぶ物理ぶつりりょうかく節点せってん対応たいおうする形状けいじょう関数かんすう節点せってんせきとして表現ひょうげんされる[注釈ちゅうしゃく 3]
    有限ゆうげん要素ようそほうではおおくの種類しゅるい要素ようそ定式ていしきされていて、問題もんだいって使つかけられるようになっている。要素ようそ種類しゅるいちがいは、要素ようそ形状けいじょう要素ようそないでのかい近似きんじもちいる多項式たこうしき次数じすうや、とな要素ようそあいだ境界きょうかいでの近似きんじかい連続れんぞくせいなどによる。
  • 解析かいせき領域りょういき全体ぜんたいじゃく形式けいしき積分せきぶんあらわされるので、それぞれの要素ようそない積分せきぶん総和そうわとしてあらわすことができる。つまり、かく要素ようそ節点せってんにおける未知数みちすうたいしてこの積分せきぶん適用てきようすることによって、かく要素ようそ係数けいすう行列ぎょうれつ連立れんりついち方程式ほうていしき左辺さへん行列ぎょうれつ)を作成さくせいする(未知数みちすう変位へんい速度そくど圧力あつりょくなど。右辺うへんベクトルも同時どうじ形成けいせいされる)。この係数けいすう行列ぎょうれつ要素ようそ剛性ごうせい行列ぎょうれつばれる。
    実際じっさい複雑ふくざつ問題もんだいでは要素ようそ領域りょういきないたいする積分せきぶん解析かいせきてきしき計算けいさんもとめるのはむずかしいので、領域りょういき補間ほかん関数かんすう次数じすうおうじてガウス・ルジャンドルほうなどの数値すうち積分せきぶんもちいて近似きんじすることがおお[3]
  • かく要素ようそにおける係数けいすう行列ぎょうれつ要素ようそ係数けいすう行列ぎょうれつ)の総和そうわって領域りょういき全体ぜんたい係数けいすう行列ぎょうれつ全体ぜんたい剛性ごうせい行列ぎょうれつ[14]ばれる)を作成さくせいし、かいもとめることができる。

おおくの場合ばあい有限ゆうげん要素ようそほうでは、近似きんじかいもとめることが連立れんりついち方程式ほうていしきくことに帰着きちゃくされる (つまり最終さいしゅうてきには数値すうち線形せんけい代数だいすう知識ちしき必要ひつようになる)[3]られる全体ぜんたい係数けいすう行列ぎょうれつ一般いっぱん疎行列そぎょうれつとなる。使用しよう記憶きおく領域りょういき削減さくげん計算けいさん速度そくど向上こうじょうのため、行列ぎょうれつのデータ構造こうぞうには様々さまざま形式けいしきもちいられ、その格納かくのう形式けいしき対応たいおうして効率こうりつよくくソルバーが存在そんざいする。たとえば、直接ちょくせつほう場合ばあいのスカイラインほうなどがられている[15]

形状けいじょう関数かんすう[編集へんしゅう]

形状けいじょう関数かんすうとは、節点せってんにおける物理ぶつりりょう変位へんいなど)から要素ようそない物理ぶつりりょううちするためにもちいられる関数かんすうである。たとえばよん面体めんていいち要素ようそ場合ばあい、4つの頂点ちょうてん節点せってんi = 1, ... , 4 がとられ、節点せってんiたいする形状けいじょう関数かんすうNi とそれぞれのてんにおける物理ぶつりりょうuiもちいて、要素ようそない任意にんいてん p における物理ぶつりりょうup形状けいじょう関数かんすう線形せんけい結合けつごうとして

あらわされる。

形状けいじょう関数かんすうNi には、

  • 節点せってんi位置いちにおいてNi = 1
  • それ以外いがい節点せってん位置いちにおいてNi = 0

という性質せいしつがある。

構造こうぞう解析かいせき分野ぶんやへの応用おうよう[6][編集へんしゅう]

複雑ふくざつ構造こうぞうぶつちいさな要素ようそ集合しゅうごうたいとして、(静的せいてき解析かいせき場合ばあいいち方程式ほうていしきかく節点せってん変位へんいりょう境界きょうかい条件じょうけんディリクレ境界きょうかい条件じょうけんノイマン境界きょうかい条件じょうけんひとし)を代入だいにゅうしてく。

対象たいしょう構造こうぞう外力がいりょくくわわって変形へんけいする場合ばあいなどを解析かいせきするさいに、構造こうぞう解析かいせきにはおおきくけて、変位へんい未知数みちすうにとる変位へんいほう応力おうりょく未知数みちすうにとる応力おうりょくほうがあり、有限ゆうげん要素ようそ構造こうぞう解析かいせきでは変位へんいほう主流しゅりゅうである。その理由りゆうは、応力おうりょくほうくらべてアルゴリズムが機械きかいてき実行じっこうでき、プログラミングにてきしているからである。機械きかい設計せっけい分野ぶんやではCADきゃどモデルをもちいた解析かいせき浸透しんとうしている[16]

その分野ぶんやへの応用おうよう[編集へんしゅう]

構造こうぞう解析かいせきでは使用しようしているしき意味いみづけをしているが、その分野ぶんやでは手法しゅほうとして使用しようすることがおおい。電子でんし状態じょうたい計算けいさん(→じつ空間くうかんほう[17])・電気でんき工学こうがく[18]電磁場でんじば解析かいせき[19]流体りゅうたい解析かいせき[20][21][22]など、微分びぶん方程式ほうていしき記述きじゅつされるあらゆる問題もんだい適用てきよう可能かのうであって、近年きんねんではそれらのれんなり解析かいせき[23]流体りゅうたい構造こうぞうれんなり電磁場でんじば構造こうぞう解析かいせきなど)もさかんに研究けんきゅうされている。 また、従来じゅうらい取扱とりあつかいがむずかしかったクラックやだい変形へんけい問題もんだいたいして、格子こうしもちいないメッシュフリーほう研究けんきゅうおこなわれている[24][25][26]

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

手法しゅほう[編集へんしゅう]

ソフトウェア[編集へんしゅう]

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

注釈ちゅうしゃく[編集へんしゅう]

  1. ^ たとえば、有限ゆうげん要素ようそほうによって構成こうせいされる近似きんじかいぞくする集合しゅうごうは、もとへん微分びぶん方程式ほうていしきかいぞくする関数かんすう空間くうかん有限ゆうげん次元じげん部分ぶぶん空間くうかんとなるように構成こうせいされることがおおい。
  2. ^ 補間ほかん方法ほうほう理論りろんてき背景はいけいとして、ガラーキンほう英語えいごばんフランス語ふらんすごばんイタリアばんドイツばんおもみつきざんほう一種いっしゅ)やレイリー・リッツほう最小さいしょうポテンシャル原理げんり)を適用てきようしてかいもとめるが、りょう方式ほうしき最終さいしゅうてきおなじゃく形式けいしき帰着きちゃくされる。
  3. ^ したがって、使用しようする形状けいじょう関数かんすうには一定いってい制限せいげんがある。

出典しゅってん[編集へんしゅう]

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関連かんれん文献ぶんけん[編集へんしゅう]

和書わしょ[編集へんしゅう]

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  • 浦川うらかわはじめ:「ラプラシアンの幾何きか有限ゆうげん要素ようそほう」、朝倉書店あさくらしょてん(朝倉あさくら数学すうがく大系たいけい3)、ISBN 978-4-254-11823-0(2009ねん10がつ25にち)。
  • いた政男まさお:「例題れいだいまなぶ Marc有限ゆうげん要素ようそほう解析かいせき入門にゅうもん」、丸善まるぜんISBN 978-4-621-08362-8(2011ねん3がつ30にち)。
  • EA de Souza Neto、D. Peric, DRJ Owen:「非線形ひせんけい有限ゆうげん要素ようそほうだん塑性そせい解析かいせき理論りろん実践じっせん」、森北もりきた出版しゅっぱんISBN 978-4-627-92021-7 (2012ねん6がつ30にち)。
  • 竹内たけうち則雄のりお樫山かしやま和男かずお寺田てらだ賢二郎けんじろう:「計算けいさん力学りきがくだい2はん)-有限ゆうげん要素ようそほう基礎きそ」、森北もりきた出版しゅっぱんISBN 978-4-627-91802-3(2012ねん12月5にち)。
  • 藤井ふじい文夫ふみお田中たなか真人まさと佐藤さとう繊美:「Fortran90/95による有限ゆうげん要素ようそほうプログラミング」、丸善まるぜん出版しゅっぱんISBN 978-4-621-08784-8(2014ねん1がつ20日はつか)。
  • 大塚おおつかあつし高石たかいし武史たけし:「有限ゆうげん要素ようそほうまな現象げんしょう数理すうり:FreeFEM++ 数理すうり思考しこうプログラミング」、共立きょうりつ出版しゅっぱんISBN 978-4-320-01953-9 (2014ねん2がつ15にち)。
  • もり正武まさたけ:「有限ゆうげん要素ようそほうとその応用おうよう」、岩波書店いわなみしょてんISBN 978-4007303685(2016ねん2がつ10日とおか)。
  • Javier Bonet, Richard D. Wood: 「非線形ひせんけい有限ゆうげん要素ようそほうのための連続れんぞく体力たいりょくがくだい2はん)」、森北もりきた出版しゅっぱんISBN 978-4-627-67512-4 (2017ねん6がつ21にち)。
  • 日本にっぽん計算けいさんこう学会がっかいへん):「だい3はん 有限ゆうげん要素ようそほうによるながれのシミュレーション」、丸善まるぜん出版しゅっぱんISBN 978-4-621-30183-8(2017ねん7がつ30にち)。
  • 久田ひさた俊明としあき野口のぐち裕久ひろひさ:「復刊ふっかん 非線形ひせんけい有限ゆうげん要素ようそほう基礎きそ応用おうよう」、丸善まるぜんISBN 978-4621305676(2020ねん10がつ26にち)。

洋書ようしょ[編集へんしゅう]

  • Susanne C. Brenner , L. Ridgway Scott: "The Mathematical Theory of Finite Element Methods", Springer-Verlag New York, ISBN 978-0-387-75933-3 (2008).
  • Claes Johnson、Mathematics:"Numerical Solution of Partial Differential Equations by the Finite Element Method"、Dover Publications、ISBN 978-0486469003 (2009ねん1がつ15にち)。
  • Mats G. Larson, Fredrik Bengzon: "The Finite Element Method: Theory, Implementation, and Applications"、Springer、ISBN 978-3642332869 (2013ねん1がつ12にち).
  • Douglas N. Arnold: "Finite Element Exterior Calculus", SIAM (2018), ISBN 978-1-61197-553-6, doi:10.1137/1.9781611975543.
  • Leszek F. Demkowicz: "Mathematical Theory of Finite Elements", SIAM, ISBN 978-1-61197-772-1 (2024).

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]

実装じっそう[編集へんしゅう]