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Metodo degli elementi finiti

1943
  • Richard Courant
  • Alexander Hrennikoff
  • Olgierd Zienkiewicz
Metodo degli elementi finiti applicato all'analisi strutturale in uno studio di ingegneria.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) è una potente tecnica numerica per la risoluzione di complessi problemi di ingegneria e fisica descritti da differenziale parziale equazioni. Funziona discretizzando un dominio continuo in una serie di sottodomini più piccoli e semplici, chiamati "elementi finiti". Ciò consente la soluzione numerica approssimata di problemi di analisi strutturale, trasferimento di calore, flusso di fluidi ed elettromagnetismo.

Il processo FEM inizia con la "discretizzazione" del dominio del problema in una maglia di elementi finiti (ad esempio, triangoli o quadrilateri in 2D, tetraedri o esaedri in 3D). All'interno di ciascun elemento, la variabile di campo sconosciuta (ad esempio, lo spostamento) è approssimata da semplici funzioni polinomiali, note come funzioni di forma. I valori del campo ai nodi dell'elemento diventano le nuove incognite del problema.

Viene derivato un sistema di equazioni algebriche per l'intero dominio, tipicamente utilizzando un principio variazionale come il principio di minima energia potenziale o un metodo residuo ponderato come il metodo di Galerkin. Questo processo genera una matrice di rigidezza elementare [latex][k_e][/latex] per ciascun elemento, che mette in relazione le forze nodali [latex]{f_e}[/latex] con gli spostamenti nodali [latex]{u_e}[/latex] tramite [latex][k_e] {u_e} = {f_e}[/latex]. Queste matrici elementari individuali vengono quindi sistematicamente combinate (assemblate) in un'unica matrice di rigidezza globale [latex][K][/latex] per l'intera struttura. Dopo aver applicato le condizioni al contorno note (forze e vincoli), il sistema di equazioni lineari risultante, [latex][K] {U} = {F}[/latex], viene risolto numericamente per il vettore di spostamento globale incognito [latex]{U}[/latex]. Una volta noti gli spostamenti nodali, è possibile calcolare altre grandezze come deformazioni e tensioni per ciascun elemento.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Analisi numerica

Tipo

Software/Algoritmo

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Calcolo delle variazioni
  • Algebra delle matrici
  • L'avvento dei computer digitali
  • Teoria dell'elasticità e meccanica del continuo
  • Metodo Rayleigh-Ritz per l'approssimazione delle soluzioni

Applicazioni

  • software di analisi strutturale (ad esempio, ansys, abaqus, nastran)
  • simulazioni di incidenti automobilistici
  • progettazione di componenti aerospaziali e analisi delle sollecitazioni
  • analisi termica dei componenti elettronici
  • simulazione biomeccanica di impianti e tessuti

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • simulatori chirurgici in tempo reale che utilizzano fem per la deformazione dei tessuti molli per addestrare i chirurghi
  • 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
  • modelli personalizzati di somministrazione di farmaci basati su simulazioni di organi specifici per il paziente
  • test virtuali di nuovi materiali compositi per prevedere le modalità di guasto prima della produzione
  • simulazione sismica per la progettazione di edifici antisismici
  • acustico modeling of concert halls and speaker enclosures for optimal sound quality
  • indossabile technology that uses fem to predict tissue stress and prevent pressure ulcers
Related to: finite element method, fem, numerical analysis, simulation, structural analysis, differenziale parziale equations, meshing, computational mechanics.

Contesto storico

Metodo degli elementi finiti

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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