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有限要素法

1943
  • Richard Courant
  • Alexander Hrennikoff
  • Olgierd Zienkiewicz
Finite Element Method applied in structural analysis within an engineering office.

(画像はイメージです)

有限要素法(FEM)は、複雑な工学および物理学の問題を解決するための強力な数値手法です。 偏微分 方程式。これは、連続領域を「有限要素」と呼ばれるより小さく単純なサブドメインの集合に離散化することによって機能します。これにより、構造解析、熱伝達、流体流れ、電磁気学における問題の近似的な数値解を求めることができます。

有限要素法(FEM)のプロセスは、問題領域を有限要素のメッシュ(例えば、2次元では三角形や四角形、3次元では四面体や六面体)に「離散化」することから始まります。各要素内では、未知の場変数(例えば、変位)は、形状関数と呼ばれる単純な多項式関数によって近似されます。要素の節点における場の値が、問題の新たな未知数となります。

領域全体に対する代数方程式系が導出されます。これは通常、最小ポテンシャルエネルギーの原理のような変分原理、またはガラーキン法のような重み付き残差法を用いて行われます。このプロセスにより、各要素に対して「要素剛性行列」[latex][k_e][/latex]が生成されます。この行列は、節点力[latex]{f_e}[/latex]と節点変位[latex]{u_e}[/latex]を[latex][k_e] {u_e} = {f_e}[/latex]で関連付けます。これらの個々の要素行列は、その後、体系的に結合(「組み立て」)されて、構造全体に対する単一のグローバル剛性行列[latex][K][/latex]になります。既知の境界条件(力と拘束条件)を適用した後、結果として得られる大規模な線形方程式系[latex][K] {U} = {F}[/latex]を数値的に解いて、未知の全体変位ベクトル[latex]{U}[/latex]を求めます。節点変位が分かれば、各要素のひずみや応力などの他の量を計算できます。

UNESCO Nomenclature: 1208
数値解析

タイプ

ソフトウェア/アルゴリズム

混乱

革命的

使用法

広く普及している

前駆物質

  • 変分法
  • 行列代数
  • デジタルコンピュータの出現
  • 弾性理論と連続体力学
  • 解を近似するためのレイリー・リッツ法

アプリケーション

  • 構造解析ソフトウェア(例:ANSYS、Abaqus、Nastran)
  • 自動車衝突シミュレーション
  • 航空宇宙部品の設計と応力解析
  • 電子部品の熱分析
  • インプラントと組織の生体力学的シミュレーション

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • real-time surgical simulators using fem for soft tissue deformation to train surgeons
  • 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
  • personalized drug delivery models based on patient-specific organ simulations
  • virtual testing of novel composite materials to predict failure modes before manufacturing
  • seismic simulation for earthquake-resistant building design
  • 音響 modeling of concert halls and speaker enclosures for optimal sound quality
  • ウェアラブル technology that uses fem to predict tissue stress and prevent pressure ulcers
Related to: finite element method, fem, numerical analysis, simulation, structural analysis, 偏微分 equations, meshing, computational mechanics.

歴史的背景

有限要素法

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

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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