有限 要素 法
|
---|
|
データ |
FEMを
特徴 [編集 ]
各 小 領域 内 を一 次 関数 で補間 (近似 空間 が元 の解 空間 の部分 空間 になる場合 はある種 の射影 を求 めることになる)した場合 、全 領域 では適切 なノルムに対 して最良 近似 であることが示 される[注釈 2]。線形 問題 [8]・非線形 問題 [9][10]・動的 解析 [11][12][13]など、さまざまな問題 に対応 できる。これは、近似 方程式 の作 り方 や領域 形状 について、自由 度 が高 いことに起因 する[1][2][3]。
- FEMでは、
変動 微分 法 を用 いて、誤差 関数 を最小 化 することで解 を近似 する。
メッシュ[編集 ]
領域 全体 をより単純 な部分 に細分 化 することには、以下 のような利点 がある。複雑 な形状 を正確 に表現 できる。異種 材料 の特性 を与 えることができる。トータルソリューションの表現 が容易 。局所 的 な効果 を把握 できる。
計算 のため小 領域 に分割 することを「メッシュを切 る」というい方 をする。メッシュの適切 さは解析 結果 の正確 さに大 きく影響 する。
- FEMは
工学 的 な解析 を行 うための計算 ツールとしても広 く用 いられる。FEMを用 いたCAEソフトウエアでは、複雑 な幾何 形状 を微小 要素 に分割 するメッシュを自動 生成 する機能 をもつものがある。ただしそうした場合 も形状 の特異 点 の扱 いに気 をつける必要 がある。(構造 解析 における隅 部 など)
自動車 や石油 パイプラインのような複雑 な解析 や、境界 が移動 する固体 反応 のように領域 が変化 する場合 や、必要 な精度 が領域 全体 で変化 する場合 や、解 が滑 らかでない場合 などにはFEMは特 に適 している。FEMではメッシュの粗 さを調整 することで解析 の計算 コストを抑 えることができる。(変化 が大 きく重要 な部分 はメッシュを細 かくし予測 精度 を高 め、変化 の小 さい部分 は予測 精度 を上 げる必要 がないのでメッシュを粗 くし、計算 量 を減 らす。)例 えば、自動車 の正面 衝突 シミュレーションでは、車 の前部 など重要 な領域 はメッシュを細 かくし、後部 のメッシュを粗 くする。また数値 気象 予報 では、比較的 穏 やかな場所 よりも、高度 に非線形 な現象 が発生 している場所 (大気 中 の熱帯 低 気圧 や海洋 の渦 など)を正確 に予測 することが重要 になる。
アルゴリズム[編集 ]
解析 対象 領域 内 で成 り立 つ方式 (ポアソン方程式 など)に対 してある重 み関数 の積 を施 し、それを領域 内 で積分 した弱 形式 を形成 する。解析 領域 内部 を小 さな有限 範囲 の要素 に分割 する。一般 的 に、要素 はその境界 に節点 が配置 され、要素 内部 の物理 量 は各 節点 に対応 する形状 関数 と節点 の値 の積 の和 として表現 される[注釈 3]。有限 要素 法 では多 くの種類 の要素 が定式 化 されていて、問題 に依 って使 い分 けられるようになっている。要素 の種類 の違 いは、要素 の形状 、要素 内 での解 の近似 に用 いる多項式 の次数 や、隣 り合 う要素 の間 の境界 での近似 解 の連続 性 などによる。
解析 領域 全体 の弱 形式 は積分 で表 されるので、それぞれの要素 内 の積分 の総和 として表 すことができる。つまり、各 要素 の節点 における未知数 に対 してこの積分 を適用 することによって、各 要素 の係数 行列 (連立 一 次 方程式 の左辺 行列 )を作成 する(未知数 は変位 、速度 、圧力 など。右辺 ベクトルも同時 に形成 される)。この係数 行列 は要素 剛性 行列 と呼 ばれる。実際 の複雑 な問題 では要素 領域 内 に対 する積分 の値 を解析 的 な式 計算 で求 めるのは難 しいので、領域 の補間 関数 の次数 に応 じてガウス・ルジャンドル法 などの数値 積分 を用 いて近似 することが多 い[3]。
各 要素 における係数 行列 (要素 係数 行列 )の総和 を取 って領域 全体 の係数 行列 (全体 剛性 行列 [14]と呼 ばれる)を作成 し、解 を求 めることができる。
形状 関数 [編集 ]
と
節点 i の位置 においてNi = 1- それ
以外 の節点 位置 においてNi = 0
という
構造 解析 分野 への応用 [6][編集 ]
その他 の分野 への応用 [編集 ]
関連 項目 [編集 ]
手法 [編集 ]
ソフトウェア[編集 ]
脚注 [編集 ]
注釈 [編集 ]
出典 [編集 ]
- ^ a b c Brenner, S., & Scott, R. (2007). The mathematical theory of finite element methods (Vol. 15). Springer Science & Business Media.
- ^ a b c Oden, J. T., & Reddy, J. N. (2012). An introduction to the mathematical theory of finite elements. Courier Corporation.
- ^ a b c d e
山本 哲朗 『数値 解析 入門 』(増 訂 版 )サイエンス社 〈サイエンスライブラリ現代 数学 への入門 14〉、2003年 6月 。ISBN 4-7819-1038-6。 - ^ Ciarlet, P. G. (2002). The finite element method for elliptic problems (Vol. 40). SIAM.
- ^ Clough, R. W., Martin, H. C., Topp, L. J., & Turner, M. J. (1956). Stiffness and deflection analysis of complex structures. Journal of the Aeronautical Sciences, 23(9).
- ^ a b Zienkiewicz, O. C., & Taylor, R. L. (2005). The finite element method for solid and structural mechanics. Elsevier.
- ^
桂田 祐史 、Poisson方程式 に対 する有限 要素 法 の解析 超 特急 - ^ Johnson, C., Navert, U., & Pitkaranta, J. (1984). Finite element methods for linear hyperbolic problems. CMAME, 45, 285-312.
- ^ Wriggers, P. (2008). Nonlinear finite element methods. Springer Science & Business Media.
- ^ Akyuz, F. A., & Merwin, J. E. (1968). Solution of nonlinear problems of elastoplasticity by finite element method. AIAA Journal, 6(10), 1825-1831.
- ^ Bathe, K. J., Ramm, E., & Wilson, E. L. (1975). Finite element formulations for large deformation dynamic analysis. International journal for numerical methods in engineering, 9(2), 353-386.
- ^ Jonker, B. (1990). A finite element dynamic analysis of flexible manipulators. The International Journal of Robotics Research, 9(4), 59-74.
- ^ Hughes, T. J. (2012). The finite element method: linear static and dynamic finite element analysis. Courier Corporation.
- ^
土倉 泰 . (2005).全体 剛性 行列 を用 いた粒状 要素 解析 .応用 力学 論 文集 , 8, 549-556. - ^ Elwi, A. E., & Murray, D. W. (1985). Skyline algorithms for multilevel substructure analysis. International journal for numerical methods in engineering, 21(3), 465-479.
- ^ Foucault, G., Cuillière, J. C., François, V., Léon, J. C., & Maranzana, R. (2008). Adaptation of
CAD model topology for finite element analysis. Computer-Aided Design, 40(2), 176-196. - ^ Garcıa-Cervera, C. J. (2007). An efficient real space method for orbital-free density-functional theory. Commun. Comput. Phys, 2(2), 334-357.
- ^
中田 高義 , &高橋 則雄 . (1980).電気 工学 のための有限 要素 法 .電氣 學會 雜誌 , 100(1), 45-48. - ^ Salon, S. J. (1995). Finite element analysis of electrical machines (Vol. 101). Boston: Kluwer Academic Publishers.
- ^ Reddy, J. N., & Gartling, D. K. (2010). The finite element method in heat transfer and fluid dynamics. CRC Press.
- ^ Chung, T. J. (1978). Finite element analysis in fluid dynamics. NASA STI/Recon Technical Report A, 78.
- ^ Sackinger, P. A., Brown, R. A., & Derby, J. J. (1989). A finite element method for analysis of fluid flow, heat transfer and free interfaces in Czochralski crystal growth. International journal for numerical methods in fluids, 9(4), 453-492.
- ^
張 群 , &久田 俊明 . (2001).流体 ・構造 連 成 有限 要素 解析 における連 成 手法 に関 する検討 .日本 機械 学会 論 文集 A編 , 67(662), 1555-1562. - ^ Liu, G. R. (2009). Meshfree methods: moving beyond the finite element method. Taylor & Francis.
- ^ Yagawa, G., & Yamada, T. (1996). Free mesh method: a new meshless finite element method. Computational Mechanics, 18(5), 383-386.
- ^ Puso, M. A., Chen, J. S., Zywicz, E., & Elmer, W. (2008). Meshfree and finite element nodal integration methods. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 74(3), 416-446.
- ^ Y. Renard, K. Poulios GetFEM: Automated FE modeling of multiphysics problems based on a generic weak form language. Preprint, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02532422/document .
- ^
大塚 厚 二 , &高石 武史 .日本 応用 数理 学会 監修 ,有限 要素 法 で学 ぶ現象 と数理 ―FreeFem++数理 思考 プログラミング―,(2014). - ^
大塚 厚 二 . (2001).数理 指向 有限 要素 計算 プログラミング言語 FreeFem++.応用 数理 , 11(3), 249-252. - ^ Dupont, T., Hoffman, J., Johnson, C., Kirby, R. C., Larson, M. G., Logg, A., & Scott, L. R. (2003). The fenics project. Chalmers Finite Element Centre, Chalmers University of Technology.
- ^ Logg, A., Mardal, K. A., & Wells, G. (Eds.). (2012). Automated solution of differential equations by the finite element method: The FEniCS book (Vol. 84). Springer Science & Business Media.
- ^ Kwon, Y. W., & Bang, H. (2018). The finite element method using MATLAB. CRC Press.
- ^ Pepper, D. W., & Heinrich, J. C. (2017). The finite element method: basic concepts and applications with MATLAB, MAPLE, and COMSOL. CRC Press.
- ^ Alberty, J., Carstensen, C., Funken, S. A., & Klose, R. (2002). Matlab implementation of the finite element method in elasticity. Computing, 69(3), 239-263.
- ^ Dabrowski, M., Krotkiewski, M., & Schmid, D. W. (2008). MILAMIN: MATLAB‐based finite element method solver for large problems. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 9(4).
- ^ Chen, L. (2008). iFEM: an innovative finite element methods package in MATLAB. Preprint, University of Maryland.
- ^ Alberty, J., Carstensen, C., & Funken, S. A. (1999). Remarks around 50 lines of Matlab: short finite element implementation. Numerical algorithms, 20(2-3), 117-137.
- ^ Ferreira, A. J. (2008). MATLAB codes for finite element analysis: solids and structures (Vol. 157). Springer Science & Business Media.
関連 文献 [編集 ]
和書 [編集 ]
大地 羊 三 :「有限 要素 法 とその応用 」、森北 出版 (数学 ライブラリー 38)(1975年 2月 20日 )。- G. ストラング、G.J.フィックス、
三好 哲彦 ・藤井 宏 (共 訳 ):「有限 要素 法 の理論 」、培風館 (1976年 4月 30日 )。 加川 幸雄 :「電気 ・電子 のための有限 要素 法 入門 」、オ ーム社 (1977年 5月 30日 )。- A.R.Mitchell、R.Wait、
森 正武 (訳 ):「偏 微分 方程式 の有限 要素 法 」、科学 技術 出版 (1978年 5月 10日 )。 - K.J.Bathe、E.L.Wilson、
菊地 文雄 (訳 ):「有限 要素 法 の数値 計算 」、科学 技術 出版 社 (1979年 9月 15日 )。 - J.T. オーデン、
山田 嘉昭 (訳 ):「非線形 連続 体 の有限 要素 法 1」、培風館 (1979年 11月10日 )。 - J.T. オーデン、
山田 嘉昭 (訳 ):「非線形 連続 体 の有限 要素 法 2」、培風館 (1980年 1月 20日 )。 鷲津 久一郎 、宮本 博 、山田 嘉昭 、山本 善之 、川井 忠彦 (共編 )「有限 要素 法 ハンドブック I基礎 編 」、培風館 、ISBN 4-563-03169-0(1981年 9月 25日 )。加川 幸雄 :「電気 ・電子 のための有限 要素 法 の実際 」、オ ーム社 、ISBN 4-274-02923-9(1982年 5月 30日 )。中田 高義 、高橋 則雄 :「電気 工学 の有限 要素 法 」、森北 出版 (1982年 7月 15日 )。水木 久夫 、原 平八郎 :「有限 要素 法 理論 編 」、森北 出版 、ISBN 4-627-07180-9 (1983年 1月 25日 )。鷲津 久一郎 、宮本 博 、山田 嘉昭 、山本 善之 、川井 忠彦 (共編 )「有限 要素 法 ハンドブック II応用 編 」、培風館 、ISBN 4-563-03180-1(1983年 1月 25日 )。加川 幸雄 :「閉領域 問題 のための有限 /境界 要素 法 」、サイエンス社 (1983年 7月 10日 )。森 正武 :「有限 要素 法 とその応用 」、岩波書店 (応用 数学 叢書 )(1983年 9月 9日 )。- C.C.ツィエンキーヴィッツ、𠮷識雅
夫 (訳 )、山田 嘉昭 (訳 ):「マトリックス有限 要素 法 (三 訂 版 )」、培風館 、ISBN 4-563-03168-2(1984年 9月 30日 )。 - スハス V. パタンカー、
水谷 幸夫 ・香月 正司 (共 訳 ):「コンピュータによる熱 移動 と流 れの数値 解析 」、森北 出版 、ISBN 4-627-91190-4(1985年 2月 27日 )。 川原 睦 人 :「有限 要素 法 流体 解析 」、日 科技 連 、ISBN 4-8171-6011-X(1985年 3月 8日 )。鷲津 久一郎 、池川 昌弘 :「有限 要素 法 」、岩波書店 、ISBN: 4-00-006065-1 (1987年 6月 24日 )。小柴 正則 :「光 ・波動 のための有限 要素 法 の基礎 」、ISBN 4-627-91350-8(1990年 10月 31日 )。久田 俊明 :「非線形 有限 要素 法 のためのテンソル解析 の基礎 」、丸善 、ISBN 978-4621045817(1992年 11月1日 )。矢川 元 基 、半谷 裕彦 :「有限 要素 法 の基礎 」、朝倉書店 、ISBN 4-254-23079-6(1994年 6月 15日 )。日本 塑性 加工 学会 (編 ):「非線形 有限 要素 法 -線形 弾性 解析 から塑性 加工 解析 まで」 、コロナ社 、ISBN 978-4339043181(1994年 12月1日 )。久田 俊明 、野口 裕久 :「非線形 有限 要素 法 の基礎 と応用 」、丸善 、ISBN 978-4621041253(1996年 1月 1日 )。棚橋 隆彦 :「流 れの有限 要素 法 解析 I」、朝倉書店 、ISBN 4-254-11406-0(1997年 9月 10日 )。棚橋 隆彦 :「流 れの有限 要素 法 解析 II」、朝倉書店 、ISBN 4-254-11407-9(1997年 9月 10日 )。三好 俊郎 、白鳥 正樹 、坂田 信二 :「有限 要素 法 解析 」、朝倉書店 、ISBN 4-254-11405-2(1998年 9月 1日 )。矢川 元 基 、塩谷 隆二 :「超 並列 有限 要素 解析 」、朝倉書店 、ISBN 4-254-23662-X(1998年 10月 20日 )。久田 俊明 :「非線形 有限 要素 法 のためのテンソル解析 の基礎 」、丸善 、ISBN 978-4621045817(1999年 9月 1日 )。矢川 元 基 、青山 裕司 : 「有限 要素 法 固有値 解析 」、森北 出版 、ISBN 4-627-91761-9(2001年 9月 28日 )。日本 計算 工 学会 (編 )、手塚 明 、土田 英二 :「アダプティブ有限 要素 法 」、丸善 (2003年 8月 30日 )。矢川 元 基 、吉村 忍 :「計算 固体 力学 」、岩波書店 (シリーズ現代 工学 入門 )、ISBN 4-00-006942-X(2005年 7月 7日 )。福森 栄次 :「よくわかる有限 要素 法 」、オ ーム社 、ISBN 4-274-06628-2(2005年 11月15日 )。林 正 :「ハイアラーキ有限 要素 法 ―大型 要素 による高 精度 解析 法 」、技報堂 出版 、ISBN 978-4765517119 (2006年 12月 )。川面 恵 司 、渡邉 隆之 、岡本 紀明 :「有限 要素 法 のモデル化 技術 と応用 解析 」、養 賢堂 、ISBN 978-4-8425-0422-3(2007年 6月 27日 )。- 邵長
城 :「基本 からわかる有限 要素 法 」、森北 出版 、ISBN 978-4-627-91991-4(2008年 10月 1日 )。 - Jacob Fish, Ted Belytschko: 「
有限 要素 法 」、丸善 、ISBN 978-4-621-07996-6(2008年 12月25日 )。 浦川 肇 :「ラプラシアンの幾何 と有限 要素 法 」、朝倉書店 (朝倉 数学 大系 3)、ISBN 978-4-254-11823-0(2009年 10月 25日 )。板 根 政男 :「例題 で学 ぶ Marc有限 要素 法 解析 入門 」、丸善 、ISBN 978-4-621-08362-8(2011年 3月 30日 )。- EA de Souza Neto、D. Peric, DRJ Owen:「
非線形 有限 要素 法 -弾 塑性 解析 の理論 と実践 」、森北 出版 、ISBN 978-4-627-92021-7 (2012年 6月 30日 )。 竹内 則雄 、樫山 和男 、寺田 賢二郎 :「計算 力学 (第 2版 )-有限 要素 法 の基礎 」、森北 出版 、ISBN 978-4-627-91802-3(2012年 12月5日 )。藤井 文夫 、田中 真人 、佐藤 繊美:「Fortran90/95による有限 要素 法 プログラミング」、丸善 出版 、ISBN 978-4-621-08784-8(2014年 1月 20日 )。大塚 厚 二 、高石 武史 :「有限 要素 法 で学 ぶ現象 と数理 :FreeFEM++数理 思考 プログラミング」、共立 出版 、ISBN 978-4-320-01953-9 (2014年 2月 15日 )。森 正武 :「有限 要素 法 とその応用 」、岩波書店 、ISBN 978-4007303685(2016年 2月 10日 )。- Javier Bonet, Richard D. Wood: 「
非線形 有限 要素 法 のための連続 体力 学 (第 2版 )」、森北 出版 、ISBN 978-4-627-67512-4 (2017年 6月 21日 )。 日本 計算 工 学会 (編 ):「第 3版 有限 要素 法 による流 れのシミュレーション」、丸善 出版 、ISBN 978-4-621-30183-8(2017年 7月 30日 )。久田 俊明 、野口 裕久 :「復刊 非線形 有限 要素 法 の基礎 と応用 」、丸善 、ISBN 978-4621305676(2020年 10月 26日 )。
洋書 [編集 ]
- 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
年 1月 15日 )。 - Mats G. Larson, Fredrik Bengzon: "The Finite Element Method: Theory, Implementation, and Applications"、Springer、ISBN 978-3642332869 (2013
年 1月 12日 ). - 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 リンク[編集 ]
- Flux2D ソフトウェア
日本 大 百科全書 (ニッポニカ)『有限 要素 法 』 - コトバンク- Analysis3D ソフトウェア
- FEM と
幾何 学 の機械 学習 非線形 有限 要素 法 特 論 (UTokyo OpenCourseWare、2005年度 開講 永井 学 志 ・橋本 一輝 :「有限 要素 計算 における全体 剛性 行列 の作成 法 −疎行列 データ構造 の視点 から−」 その1 その2 その3
実装 [編集 ]
- FEniCS - GitHub
- FEniCS Project (@fenicsproject) - X(
旧 Twitter)
- FEniCS Project (@fenicsproject) - X(
- femhub - GitHub
- MFEM