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Méthode des éléments finis

1943
  • Richard Courant
  • Alexander Hrennikoff
  • Olgierd Zienkiewicz
Méthode des éléments finis appliquée à l'analyse structurelle dans un bureau d'études.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

La méthode des éléments finis (FEM) est une technique numérique puissante qui permet de résoudre des problèmes complexes d'ingénierie et de physique décrits par des différentielle partielle équations. Il fonctionne en discrétisant un domaine continu en un ensemble de sous-domaines plus petits et plus simples appelés "éléments finis". Cela permet la résolution numérique approximative de problèmes d'analyse structurelle, de transfert de chaleur, d'écoulement des fluides et d'électromagnétisme.

Le processus FEM commence par la "discrétisation" du domaine du problème en un maillage d'éléments finis (par exemple, des triangles ou des quadrilatères en 2D, des tétraèdres ou des hexaèdres en 3D). Dans chaque élément, la variable de champ inconnue (par exemple, le déplacement) est approximée par des fonctions polynomiales simples, connues sous le nom de fonctions de forme. Les valeurs du champ aux nœuds de l'élément deviennent les nouvelles inconnues du problème.

On établit un système d'équations algébriques pour l'ensemble du domaine, généralement à l'aide d'un principe variationnel comme le principe de l'énergie potentielle minimale ou d'une méthode des résidus pondérés comme la méthode de Galerkin. Ce processus génère une matrice de rigidité d'élément [latex][k_e][/latex] pour chaque élément, qui relie les forces nodales [latex]{f_e}[/latex] aux déplacements nodaux [latex]{u_e}[/latex] via [latex][k_e] {u_e} = {f_e}[/latex]. Ces matrices d'éléments individuelles sont ensuite systématiquement combinées (assemblées) en une seule matrice de rigidité globale [latex][K][/latex] pour l'ensemble de la structure. Après application des conditions aux limites connues (forces et contraintes), le système d'équations linéaires résultant, [latex][K] {U} = {F}[/latex], est résolu numériquement pour le vecteur de déplacement global inconnu [latex]{U}[/latex]. Une fois les déplacements nodaux connus, d'autres grandeurs telles que les déformations et les contraintes peuvent être calculées pour chaque élément.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Analyse numérique

Taper

Logiciel/Algorithme

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Calcul des variations
  • Algèbre matricielle
  • L'avènement des ordinateurs numériques
  • Théorie de l'élasticité et de la mécanique des milieux continus
  • Méthode de Rayleigh-Ritz pour l'approximation des solutions

Applications

  • logiciel d'analyse structurelle (par exemple, ansys, abaqus, nastran)
  • simulations d'accidents de voiture
  • conception de composants aérospatiaux et analyse des contraintes
  • analyse thermique des composants électroniques
  • simulation biomécanique d'implants et de tissus

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • simulateurs chirurgicaux en temps réel utilisant la modélisation par éléments finis pour la déformation des tissus mous afin de former les chirurgiens
  • ai-driven generative design tools that iteratively optimize a part’s topology using fem feedback
  • predictive ‘digital twins’ of entire cities to manage infrastructure stress and fluid dynamics
  • modèles personnalisés d'administration de médicaments basés sur des simulations d'organes spécifiques au patient
  • tests virtuels de nouveaux matériaux composites pour prédire les modes de défaillance avant la fabrication
  • simulation sismique pour la conception de bâtiments parasismiques
  • acoustique modeling of concert halls and speaker enclosures for optimal sound quality
  • portable technology that uses fem to predict tissue stress and prevent pressure ulcers
Related to: finite element method, fem, numerical analysis, simulation, structural analysis, différentielle partielle equations, meshing, computational mechanics.

Contexte historique

Méthode des éléments finis

1930
1936
1940
1943
1950
1950
1953
1930
1931
1939
1940
1950
1950
1952
1956

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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