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有限元方法

1943
  • Richard Courant
  • Alexander Hrennikoff
  • Olgierd Zienkiewicz
在工程办公室内应用有限元法进行结构分析。

(图片仅供参考)

有限元法(FEM)是一种强大的数值技术,用于求解由以下公式描述的复杂工程和物理问题: 偏微分 该方法通过将连续域离散化为一组更小、更简单的子域(称为“有限元”)来实现。这使得结构分析、传热、流体流动和电磁学等领域的问题能够得到近似的数值解。

有限元法首先将问题域“离散化”,生成有限元网格(例如,二维空间中的三角形或四边形,三维空间中的四面体或六面体)。在每个单元内,未知场变量(例如位移)用简单的多项式函数(称为形函数)进行近似。单元节点处的场值就成为问题的新未知量。

通常采用变分原理(例如最小势能原理)或加权残差法(例如伽辽金法)推导出整个区域的代数方程组。该过程为每个单元生成一个“单元刚度矩阵”[latex][k_e][/latex],该矩阵通过[latex][k_e] {u_e} = {f_e}[/latex]将节点力[latex]{f_e}[/latex]与节点位移[latex]{u_e}[/latex]关联起来。然后,将这些单独的单元矩阵系统地组合(“组装”)成整个结构的单个全局刚度矩阵[latex][K][/latex]。在施加已知的边界条件(力和约束)后,由此得到的庞大线性方程组 [latex][K] {U} = {F}[/latex] 可通过数值方法求解,得到未知的全局位移向量 [latex]{U}[/latex]。一旦节点位移已知,即可计算每个单元的其他物理量,例如应变和应力。

UNESCO Nomenclature: 1208
数值分析

类型

软件/算法

中断

革命

用法

广泛使用

前体

  • 变分法
  • 矩阵代数
  • 数字计算机的出现
  • 弹性力学和连续力学理论
  • 瑞利-里兹法近似解

应用程序

  • 结构分析软件(例如,ansys、abaqus、nastran)
  • 汽车碰撞模拟
  • 航空航天部件设计和应力分析
  • 电子元件热分析
  • 植入物和组织的生物力学模拟

专利:

NA

潜在创新理念

  • 使用有限元法进行软组织变形以训练外科医生的实时手术模拟器
  • 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
  • 基于患者特定器官模拟的个性化药物输送模型
  • 对新型复合材料进行虚拟测试,以预测制造前的故障模式
  • 抗震建筑设计的地震模拟
  • 声学 modeling of concert halls and speaker enclosures for optimal sound quality
  • 可穿戴 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.

历史背景

有限元方法

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

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

第十年 周年纪念日

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