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有限ゆうげん元素げんそほう

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重定しげさだこう有限ゆうげんもと方法ほうほう

有限ゆうげん元素げんそほう英語えいごFinite element method),そく使用しよう有限ゆうげん元素げんそ分析ぶんせき物理ぶつり現象げんしょう一种用于求解微分びぶんかたほど组或积分かたほど组数值解てきかず值方ほう

ざいかいへん微分びぶんかたほどてき过程ちゅう主要しゅよう难点如何いか构造一个方程来逼近原本研究的方程,并且该过ほど还需よう保持ほじかず值稳定性ていせい目前もくぜんゆう许多处理てき方法ほうほう们各有利ゆうりへいとう区域くいきあらため变时(就像一个边界可变的固体),とう需要じゅようてきせい确度ざいせい区域くいきじょう变化,あるものとうかいかけすくなひかりすべりせい时,有限ゆうげんもと方法ほうほうざい复杂区域くいきぞう汽车、船体せんたい结构、输油かんどうじょうかいへん微分びぶんかたほどてき一个很好的选择。

ためりょう解決かいけつ問題もんだい有限ゆうげん元素げんそほうはた大型おおがた物理ぶつり系統けいとう細分さいぶんためさらしょうさら簡單かんたんてき部分ぶぶんしょうため有限ゆうげんもと英文えいぶん:finite element)。這是通過つうかざい空間くうかん維度じょう進行しんこう特定とくていてき空間くうかん離散りさん實現じつげんてき,該離散りさん通過つうか構建對象たいしょうてきもうかく實現じつげんてき解決かいけつ方案ほうあんてきすう值域具有ぐゆう有限ゆうげん數量すうりょうてきてんあたり問題もんだいてき有限ゆうげん元素げんそほう公式こうしき最終さいしゅう形成けいせいりょういち代數だいすうかたほどぐみ。該方ほうざいいきじょう近似きんじ未知みち函數かんすう[1]しかはたたい這些有限ゆうげんもとけんてき簡單かんたん方程式ほうていしきぐみ合成ごうせい一個對整個問題進行建模的較大方程式系統。しか有限ゆうげん元素げんそほう通過つうか最小さいしょう關聯かんれんてき誤差ごさ函數かんすう使用しようらい變異へんい演算えんざんてき變異へんい方法ほうほうらい近似きんじもとめかい

Example of 2D mesh
よし研究けんきゅう人員じんいん建立こんりゅうてき有限ゆうげん元素げんそもうかくしかこう使用しよう套裝軟體找到解決かいけつ磁性じせい問題もんだいてき方法ほうほう顏色かおいろ表示ひょうじ分析ぶんせき人員じんいんやめためごと區域くいき設置せっちりょう材料ざいりょう屬性ぞくせいざい此圖ちゅうあさ藍色あいいろてきてつ磁成ぶん可能かのうてつ),あさ紫色むらさきいろてき空氣くうき
FEM_example_of_2D_solution
有限ゆうげん元素げんそほう解決かいけつ左側ひだりがわ問題もんだいてき方法ほうほうわたる電磁でんじへい磁性じせい圓筒えんとうがた遮蔽しゃへい保護ほご內部區域くいき受外磁場じば影響えいきょう。 如插入そうにゅうれいちゅうてき比例ひれいじゃくしょしめせ顏色かおいろ表示ひょうじ磁場じばてき強度きょうど紅色こうしょくためだか強度きょうど磁場じば圓柱えんちゅうたい內部てき區域くいきてい強度きょうどてきふか藍色あいいろ具有ぐゆうひろし間隔かんかくてき磁通りょうせん),這表明ひょうめい遮蔽しゃへい罩的性能せいのうたちいたりょう設計せっけい目標もくひょう

はたせい物理ぶつり系統けいとう細分さいぶんためさら簡單かんたんてき部分ぶぶん具有ぐゆう以下いかゆうてん[2]

  • 精確せいかく表示ひょうじ複雜ふくざつてき幾何きか形狀けいじょう
  • 以描じゅつ多樣たようてき材料ざいりょう特性とくせい
  • けい表示ひょうじ整體せいたい解決かいけつ方案ほうあん
  • 精確せいかく描述局部きょくぶ現象げんしょう

該方法的ほうてき工作こうさくりゅうほど包括ほうかつ

(1)しょう問題もんだいてきいき劃分ためいきてき集合しゅうごうまいいきよし一組元素方程表示為原始問題,しか(2)系統けいとうはた所有しょゆう元素げんそかたほど組重くみじゅうぐみためよう最終さいしゅう計算けいさんてき全域ぜんいきかたほどぐみ

ざい上面うわつらてき第一步だいいっぽちゅう元素げんそかたほど簡化まとかたほど以局近似きんじよう研究けんきゅうてき原始げんしふくざつかたほどぐみ,其中原始げんしかたほど通常つうじょうへん微分びぶんかたほどためりょうもとめ此方こちらほどしきてき近似きんじかい通常つうじょうはた有限ゆうげん元素げんそほう作為さくいとぎ辽金ほうてき特例とくれいらい處理しょりよう數學すうがくげんらいせつ,該過ほどこれはたざんかずけん函數かんすう內積,なみはた該積ぶんしつらえためれい。簡而ごと,它是通過つうかはた試驗しけん函數かんすうなずらえあいいたへん微分びぶんかたほどちゅうらい最小さいしょう近似きんじ誤差ごさてき過程かていざんよし試驗しけん函數かんすう引起てき誤差ごさけんじゅう函數かんすう投影とうえいざんてき多項式たこうしき逼近函數かんすう。該過ほどしょうじょりょうへん微分びぶんかたほどなかてき所有しょゆう空間くうかんしるべすうしたがえ而使へん微分びぶんかたほど局部きょくぶ近似きんじため一組穩態問題的代數方程ある一組用於瞬態問題的常微分方程。如果基礎きそへん微分びぶんかたほどせん性的せいてきのり元素げんそかたほど也是せん性的せいてきたんまたしか穩態問題もんだいちゅう出現しゅつげんてき代數だいすうかたほどぐみ便びん利用りようすうせんせい代數だいすう方法ほうほうもとめかい,而瞬たい問題もんだいちゅう出現しゅつげんてき常微分じょうびぶんかたほどぐみのり使用しよう其他すう值方ほうれいおうひしげ方法ほうほうあるRunge-Kuttaほう通過つうかすう值積ぶんらいもとめかい

历史[编辑]

有限ゆうげんもとほう最初さいしょ起源きげん土木どぼく工程こうてい航空こうくう工程こうていなかてき弹性结构分析ぶんせき问题てき研究けんきゅう。它的发展以追さかのぼいたAlexander Hrennikoff(1941)かずRichard Courant (1942)てき工作こうさく。这些さき驱者使用しようてき方法ほうほう具有ぐゆう很大てき异,ただし具有ぐゆう共同きょうどうてきほん质特せい利用りよう网格离散しょう一个连续区域转化为一族离散的子区域,通常つうじょうさけべ做元.Hrennikoffてき工作こうさく离散よう类似于格子こうしてき网格离散区域くいき; Courantてき方法ほうほうはた区域くいき分解ぶんかい为有げん三角形さんかっけいてき区域くいきよう于求かいらいげん于圆ばしらからだ转矩问题てき橢圓だえんへん微分びぶんかたほど. Courantてき贡献推动りょう有限ゆうげんもとてき发展,绘制りょう早期そうきへん微分びぶんかたほどてき研究けんきゅう结果。

有限ゆうげんもと方法ほうほうてき发展开始于五十年代中后期使用在机身框架和结构分析ぶんせきうえ,并于ろくじゅう年代ねんだいどおり斯图特大とくだいがくてきJohn ArgyrisえいJohn Argyrisかしわかつ加州かしゅう大學だいがくてきRay W. CloughえいRay W. Cloughざい土木どぼく工程こうていちゅうてき应用工作こうさくちゅう积累经验。

もと于五十年代至六十年代大型水坝计算研究的实践经验,1965ねん中国ちゅうごく计算数学すうがく专家冯康发表りょうもと于变ぶん原理げんりてき差分さぶん格式かくしき一文いちぶん,奠定りょう有限ゆうげんもと计算方法ほうほうてき严格すう学理がくり论,为后有限ゆうげんもと计算方法ほうほうてき实际应用提供ていきょうりょう论保证。且冯やすし教授きょうじゅてき有限ゆうげんもとほう”严密论体けいさき于西かたてきこく际公认的当代とうだい计算数学すうがくてきいち项重だい成就じょうじゅ不同ふどうてき冯康教授きょうじゅただ从数がく方面ほうめん提出ていしゅつ有限ゆうげんもと法的ほうてき[3][4]

有限ゆうげんもと概念がいねん[编辑]

单元[编辑]

单元(Element)よし节点组成てき几何たい,如三角形さんかっけい单元,よん面体めんてい单元とう

节点[编辑]

节点(Node)单元几何たいてき端点たんてん、顶点ある特定とくていてん,单元てきかく物理ぶつりりょう变化ひとしからだ现在节点じょうれい如在弹性力学りきがく问题ちゅう,一个有两个节点的线单元的质量集中在两个节点上,受力也只のう作用さようざい节点じょう,变形也用节点てきうつり表示ひょうじ

自由じゆう[编辑]

节点自由じゆう(Degree of Freedom,簡寫 DoF),节点じょう变量てき个数,れい如用うつりほうかい结构问题时节てん自由じゆう为3,表示ひょうじ单个节点じょう三个坐标方向上的位移,またれい如热分析ぶんせき时节てん自由じゆう为1,表示ひょうじぼう个节てん处的温度おんど值。

网格[编辑]

网格(Mesh)ゆかり个单もとどおり过共よう节点组成てき单元网络,よう表示ひょうじまちかい问题いき

分析ぶんせき方法ほうほう[编辑]

以下いかよう有限ゆうげんもと分析ぶんせきかい决两个简单问题,さら一般的问题可以类似的推导出来。

P1いち个较简单てきいち问题

其中やめ函数かんすう, 关于てき未知みち函数かんすう, これてき阶导すう

较简单的问题狄利かつかみなり问题

其中これ平面へいめんじょうてき连通开区域くいき,它的边界良好りょうこうてきれい如,ひかりすべりりゅうがたある边形), ぶん表示ひょうじてき阶导すう。问题P1のう够通过计さん不定ふてい积分直接ちょくせつかい决。しか而,かい边值问题てき这一方法只有在空间维数为1时才可用かよう,并且不能ふのう推广到だか维问题以及形如てき问题。于这种考虑,わが们将よう有限ゆうげんもと方法ほうほうかい决P1并将其推广至问题P2.

わが们的描述ぶん为两まい反映はんえいりょうよう有限ゆうげんもとかい决边值问题的ほん质。

  • はたはら问题描述为它てきじゃく形式けいしきある变分形式けいしき。这一步很少或不需要计算。
  • 离散はたじゃく形式けいしきざい有限ゆうげん维空间离散

这两きさきわが们可以构づくり一个大型有限维线性方程,线性かたほどてきかい就是げん边值问题てき逼近かいしかきさき,这一有限维问题由计算つくえもとめかい

じゃくかい形式けいしき[编辑]

P1てきじゃくかい形式けいしき[编辑]

第一步だいいっぽはた问题P1P2转化为他てきとう变分形式けいしきあるじゃくかい形式けいしき

如果问题P1てきかい么对にんなん满足边界条件じょうけんてきひかりすべり函数かんすう ,ゆう

(1)

相反あいはん如果 对任なんひかりすべり函数かんすう满足かず(1),

P1てきかい。对于导函すう证明这いちてん是非ぜひつね容易よういてき利用りようちゅう定理ていり)。

つう过对(1)てきみぎ使用しよう分部わけべ积分以得いた

(2)

其中かり

P2てきじゃくかい形式けいしき[编辑]

fとうわが使用しようかく林恆はやしつね等式とうしきらい表示ひょうじしき(2), P2てき積分せきぶん型式けいしき表示ひょうじざい定義ていぎ

此處ここら 代表だいひょうはしごそくため維平めんじょうてき內積 。另外 以轉ためうち积空间 ,且 てきいち微分びぶん函數かんすう ためれいわが們也假設かせつ しょうさくはくれつおっとそら间) 也可以顯示けんじかいてき存在そんざいせいかず唯一ただいちせい

證明しょうめいかいてき存在そんざいせいかず唯一ただいちせい[编辑]

離散りさん[编辑]

A function in with zero values at the endpoints (blue), and a piecewise linear approximation (red)

P1 P2 通過つうか上述じょうじゅつ過程かてい离散なみ簡化ため 問題もんだい (3)。 基本きほんおもえはた無限むげん維線せい問題もんだいかえかわ掉:

找到 使つかい

表示ひょうじただ有限ゆうげん維度てき形式けいしき

問題もんだい(3) Find such that

此處ここら これてきいち有限ゆうげん維度せんせい空間くうかん

ゆう許多きょた可能かのうてき形式けいしきただしたい於有げん元素げんそ而言,ざい此將假定かてい存在そんざい分段ぶんだん多項式たこうしき函數かんすうてき空間くうかんちゅう

たい於 P1[编辑]

ざい此在區間くかん これちゅう選擇せんたく てき可能かのう せっちょ定義ていぎ ため

れいe 觀察かんさついたざい これちゅうてき函數かんすう根據こんきょ微積分びせきぶんてき基本きほん定義ていぎ微分びぶんてき當然とうぜんとう のり通常つうじょう定義ていぎ てきしるべすうただししるべすう事實じじつじょう存在そんざい於每いちてき位置いちなみ利用りよう這些しるべすうらい進行しんこう部分ぶぶん積分せきぶん運算うんざん

りょうたね不同ふどう維度(維及さん維空あいだてき分段ぶんだんせんせい函數かんすう

たい於 P2[编辑]

ぞくてきいち系列けいれつ函數かんすうざいみぎちゅうへんはんいち15へんがたてき平面へいめんてき三角さんかく分割ぶんかつえいPolygon triangulation,以及該多邊形たへんけいてき分段ぶんだんせんせい函數かんすうへんじょうはん彩色さいしき份),そく ざい三角さんかく分割ぶんかつえいPolygon triangulationところ形成けいせいてきまい三角形さんかっけいじょうていせんせい空間くうかんのりゆかりざい所在しょざいてき三角さんかく分割ぶんかつえいPolygon triangulationまとごと三角形さんかっけいじょうてき函數かんすうせんせい組合くみあい而成。

わが希望きぼうとう下面かめんてき三角形網格變得越來越精細,離散りさん問題もんだい(3)てきかいざいぼうしゅ意義いぎじょうはた收斂しゅうれんいた原始げんしかい問題もんだいP2てきかいためりょう測量そくりょう此網かくてきほそたび三角さんかく分割ぶんかつえいPolygon triangulationよしいち很小てき實數じっすうところ表示ひょうじ。此參すうはたあずか三角さんかく分割ぶんかつえいPolygon triangulationちゅう最大さいだいある平均へいきん三角形さんかっけいてき大小だいしょうゆうせきとうわが們提だか三角さんかく分割ぶんかつえいPolygon triangulationてき精度せいど分割ぶんかつさら三角形さんかっけい),分段ぶんだんせんせい函數かんすうてき空間くうかんおうかいずい變動へんどうよし此,ざいぼう文獻ぶんけんちゅうかいらい代表だいひょう

相關そうかん條目じょうもく[编辑]

参考さんこう文献ぶんけん[编辑]

  1. ^ Logan, Daryl L. A first course in the finite element method 5th ed. Stamford, CT: Cengage Learning. 2012. ISBN 978-0-495-66825-1. OCLC 664675951. 
  2. ^ Reddy, J. N., An Introduction to the Finite Element Method (Third ed.). An Introduction to the Finite Element Method (Third ed.). McGraw-Hill. 2006. ISBN 9780071267618. 请检查|isbn=值 (帮助). 
  3. ^ 冯, かん. もと于变ぶん原理げんりてき差分さぶん格式かくしき. 应用数学すうがくあずか计算数学すうがく. 1965. 
  4. ^ 实践题、ちょく判断はんだんもとめ异思维——冯康てき创新よう. 中国科学院ちゅうごくかがくいん数学すうがくあずかけい科学かがく研究けんきゅういん. [2010-07-26]. (原始げんし内容ないようそん档于2013-07-10). 

外部がいぶ链接[编辑]