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Método dos Elementos Finitos

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

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

O Método dos Elementos Finitos (MEF) é uma poderosa técnica numérica para resolver problemas complexos de engenharia e física descritos por diferencial parcial equações. Funciona discretizando um domínio contínuo em um conjunto de subdomínios menores e mais simples chamados 'elementos finitos'. Isso permite a solução numérica aproximada de problemas em análise estrutural, transferência de calor, fluxo de fluidos e eletromagnetismo.

O processo de elementos finitos (FEM) começa com a "discretização" do domínio do problema em uma malha de elementos finitos (por exemplo, triângulos ou quadriláteros em 2D, tetraedros ou hexaedros em 3D). Dentro de cada elemento, a variável de campo desconhecida (por exemplo, deslocamento) é aproximada por funções polinomiais simples, conhecidas como funções de forma. Os valores do campo nos nós do elemento tornam-se as novas incógnitas do problema.

Um sistema de equações algébricas para todo o domínio é derivado, tipicamente usando um princípio variacional como o princípio da energia potencial mínima ou um método de resíduos ponderados como o método de Galerkin. Este processo gera uma "matriz de rigidez do elemento" [latex][k_e][/latex] para cada elemento, que relaciona as forças nodais [latex]{f_e}[/latex] aos deslocamentos nodais [latex]{u_e}[/latex] por meio de [latex][k_e] {u_e} = {f_e}[/latex]. Essas matrizes de elementos individuais são então sistematicamente combinadas ("montadas") em uma única matriz de rigidez global [latex][K][/latex] para toda a estrutura. Após a aplicação das condições de contorno conhecidas (forças e restrições), o grande sistema resultante de equações lineares, [latex][K] {U} = {F}[/latex], é resolvido numericamente para o vetor de deslocamento global desconhecido [latex]{U}[/latex]. Uma vez conhecidos os deslocamentos nodais, outras grandezas, como deformações e tensões, podem ser calculadas para cada elemento.

UNESCO Nomenclature: 1208
Análise numérica

Tipo

Software/Algoritmo

Interrupção

Revolucionário

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Cálculo das variações
  • Álgebra matricial
  • O advento dos computadores digitais
  • Teoria da elasticidade e mecânica contínua
  • Método de Rayleigh-Ritz para aproximar soluções

Aplicações

  • software de análise estrutural (ex: ansys, abaqus, nastran)
  • simulações de colisões automotivas
  • projeto de componentes aeroespaciais e análise de tensões
  • análise térmica de componentes eletrônicos
  • simulação biomecânica de implantes e tecidos

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • 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
  • acústico modeling of concert halls and speaker enclosures for optimal sound quality
  • vestível technology that uses fem to predict tissue stress and prevent pressure ulcers
Related to: finite element method, fem, numerical analysis, simulation, structural analysis, diferencial parcial equations, meshing, computational mechanics.

Contexto histórico

Método dos Elementos Finitos

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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