Lõplike elementide meetod

Lõplike elementide meetod ehk LEM (ingl k finite element method, FEM) on numbriline arvutusmeetod insener-tehniliste ja füüsikaliste probleemide lahendamiseks. Meetod hõlmab üldiste (osatuletistega) diferentsiaalvõrrandite ja/või nende süsteemi aproksimeerimist ehk lähendamist üle mingi (pideva) piirkonna (nt tasand), mis jaotatakse väiksemateks, lõplikeks elementideks (nn piirkonna diskreetimine). Numbriline lahend kogu piirkonna jaoks saadakse lõplike elementide summeerimisega mingi eeskirja järgi. Esmakordselt kasutas piirkonna diskreetimist saksa matemaatik Karl Schellbach 1851. aastal, seda Plateau probleemi lahendamisel. Lord Rayleigh', Walther Ritzi ja Boris Galjorkini hilisem arendustöö variatsiooniarvutuse ja kaalutud hälvete meetodites andis samuti märkimisväärse panuse LEMi teooriasse. Hiljem on diskreetimist kasutanud Richard Courant, kes 1943. aastal uuris Saint-Venant' väändeprobleemi, kasutades ka Rayleigh'-Ritzi meetodit, kuigi tema töö jäi suurema tähelepanuta. Kaasaegse LEMi formuleerimisele aitas kaasa John Argyrise 1954. aastal avaldatud artikkel struktuurianalüüsi ja energiateoreemi teemadel. Argyrisest sõltumatult panustasid tänapäevase LEMi väljatöötamisse Ray William Clough (1960) ja M. J. Turner (1956), kellest viimane võttis kasutusele termini lõplik element. Seoses aeronautikatööstuse ja arvutusjõudluse arenguga 1960. aastatel arendas NASA välja esimese LEMi tarkvara NASTRAN struktuurianalüüsi arvutuste jaoks. Edasistel aastatel kujunes LEM tööstusstandardiks, laienedes esialgsest struktuurianalüüsist soojusjuhtivuse, hüdromehaanika ja elektrodünaamika simulatsioonideni. Personaalarvutite tulekuga 1970. aastate lõpus ilmusid turule esimesed LEMi kommertstarkvarapaketid. Üldjoontes viiakse LEM läbi järgnevalt: määratakse probleemi dimensionaalsus, vastavad võrrandid, nende kehtivus- ja määramispiirkonnad (defineerib elementide dimensionaalsuse); piirkond jaotatakse väiksemateks osadeks e lõplikeks elementideks (kolmnurk, ristkülik jne) e diskreeditakse, st koostatakse lõplike elementide võre (ingl k mesh), milles iga element on seotud teise elemendiga võre sõlmpunkti kaudu (vt parempoolset joonist); piirkonna lihtsamateks osadeks jaotamisel on mitu eelist: keeruka geomeetria täpne kirjeldus; erinevate materjaliomaduste arvestamine; lokaalsete efektide arvestamine. iga element, täpsemini võre sõlmpunkt, seostatakse vabadusastmete arvuga (määrab elemendi edasise käitumise); materjali, üldiselt välja omadustega (termodünaamilistes simulatsioonides nt soojusmahtuvusega); asjakohaste (füüsikaliste) harilike diferentsiaal- või algebraliste võrranditega (eeldatakse, et sõltumatud muutujad võre sõlmpunktides on teada või siis need aproksimeeritakse mingi polünoomi abil); kõikide elementide panused summeeritakse, saades kogu probleemi kirjeldava globaalse võrrandite süsteemi; saadud võrrandite süsteem lahendatakse numbriliselt (vaja algväärtusi, nt temperatuurijaotus); vajalikud füüsikalised suurused arvutatakse iga elemendi jaoks. Ülaltoodud punktidest järeldub, et LEM sobib mittelineaarsete efektide uurimiseks. Samuti nähtub punktidest, et vaadeldav pidev süsteem lõpmatu arvu tundmatutega lähendatakse diskreetse süsteemi ja lõpliku arvu tundmatutega. Kui teatud piirkonnas vajatakse suuremat täpsust, siis seal saab konstrueerida tihedama elementide võrgustiku. Tegemist oleks optimaalse lahendusega, kuna kogu piirkonda pole mõtet väga tihedalt diskreetida: nõudmised arvuti muutmälu, salvestusseadmete ja protsessorijõudluse osas kasvaksid viimasel juhul drastiliselt. LEMi tehniliseks käsitluseks sobib ühedimensiooniline homogeenne Dirichlet' probleem (1): u ″ ( x ) = f ( x ) , x ∈ ( 0 , 1 ) , u ( 0 ) = u ( 1 ) = 0 , {\displaystyle u''(x)=f(x),x\in (0,1),\qquad u(0)=u(1)=0,} kus f ( x ) {\displaystyle f(x)} on teadaolev funktsioon ja u ( x ) {\displaystyle u(x)} otsitav lahend. Esmalt tuleb formuleerida ääreväärtusprobleemi nõrk formulatsioon e nõrk vorm, seejärel see diskreetida. Korrutades esimest võrrandit valemis (1) skalaarselt suvalise funktsiooniga v ( x ) {\displaystyle v(x)} , mis rahuldab (2): v ( 0 ) = v ( 1 ) = 0 , {\displaystyle v(0)=v(1)=0,} saadakse (3): ∫ 0 1 v ( x ) u ″ ( x ) d x = ∫ 0 1 v ( x ) f ( x ) d x . {\displaystyle \int _{0}^{1}v(x)u''(x)dx=\int _{0}^{1}v(x)f(x)dx.} Võrrandi vasaku poole ositi integreerimine annab ∫ 0 1 v ( x ) u ″ ( x ) d x = v ( x ) u ′ ( x ) | 0 1 − ∫ 0 1 v ′ ( x ) u ′ ( x ) d x = − ∫ 0 1 v ′ ( x ) u ′ ( x ) d x , {\displaystyle \int _{0}^{1}v(x)u''(x)dx=v(x)u'(x)|_{0}^{1}-\int _{0}^{1}v'(x)u'(x)dx=-\int _{0}^{1}v'(x)u'(x)dx,} milles viimase võrduse saamiseks kasutati valemit (2). Defineerides funktsionaali ϕ ( u , ⋅ ) {\displaystyle \phi (u,\cdot )} järgnevalt: ϕ ( u , v ) = ∫ 0 1 u ′ ( x ) v ′ ( x ) d x , {\displaystyle \phi (u,v)=\int _{0}^{1}u'(x)v'(x)dx,} saab valemi (3) kirja panna kui (4): ∫ 0 1 v ( x ) f ( x ) d x = − ϕ ( u , v ) . {\displaystyle \int _{0}^{1}v(x)f(x)dx=-\phi (u,v).} Tegemist on nõrga vormiga probleemi (1) jaoks selles mõttes, et see seab nõrgemad tingimused lahendile u {\displaystyle u} ja proovifunktsioonile v {\displaystyle v} . Kui ääreväärtusprobleem oleks defineeritud üle mingi suvalise piirkonna Ω {\displaystyle \Omega } , siis vastavad testfunktsioonid moodustaksid Sobolevi ruumi H 1 ( Ω ) {\displaystyle H^{1}(\Omega )} . Testfunktsioonid rahuldavad v | Γ = 0 {\displaystyle v|_{\Gamma }=0} , kus Γ {\displaystyle \Gamma } on piirkonna Ω {\displaystyle \Omega } tükati sile raja. On võimalik näidata, et u ∈ H 1 ( Ω ) {\displaystyle u\in H^{1}(\Omega )} . Probleeminäite testfunktsioonide ruumiks on H 1 ( 0 , 1 ) {\displaystyle H^{1}(0,1)} . Nõrga vormi (4) diskreetimine taandub lõpmatu-dimensioonilise lineaarse probleemi  leia  u ∈ H 1 ( 0 , 1 )  nii, et  ∀ v ∈ H 1 ( 0 , 1 )  korral  − ϕ ( u , v ) = ∫ f v {\displaystyle {\mbox{ leia }}u\in H^{1}(0,1){\mbox{ nii, et }}\forall v\in H^{1}(0,1){\mbox{ korral }}-\phi (u,v)=\int fv} asendamisele lõpliku-dimensioonilise probleemiga (5):  leia  u ∈ V ⊂ H 1 ( 0 , 1 )  nii, et  ∀ v ∈ V  korral  − ϕ ( u , v ) = ∫ f v {\displaystyle {\mbox{ leia }}u\in V\subset H^{1}(0,1){\mbox{ nii, et }}\forall v\in V{\mbox{ korral }}-\phi (u,v)=\int fv} kus V {\displaystyle V} on lõpliku dimensiooniga tükiti polünoomide ruum. Võttes intervalli ( 0 , 1 ) {\displaystyle (0,1)} , jagatakse see n + 1 {\displaystyle n+1} osaks: 0 = x 0 < x 1 < … < x n < x n + 1 = 1 {\displaystyle 0=x_{0}<x_{1}<\ldots <x_{n}<x_{n+1}=1} . Ruumi V {\displaystyle V} määratletakse kui (6): V = { v : [ 0 , 1 ] → R | v ∈ C 0 , v | [ x k , x k + 1 ]  on lineaarne  ∀ k = 0 , … , n  ja  v ( x 0 ) = v ( x n + 1 ) = 0 } , {\displaystyle V=\{v:[0,1]\rightarrow \mathbb {R} {\big |}v\in C^{0},v|_{[x_{k},x_{k+1}]}{\mbox{ on lineaarne }}\forall k=0,\ldots ,n{\mbox{ ja }}v(x_{0})=v(x_{n+1})=0\},} milles C 0 {\displaystyle C^{0}} tähistab pidevate funktsioonide hulka. Ülaltoodud definitsiooni kohaselt pole v {\displaystyle v} diferentseeruv kogu määramispiirkonna ulatuses, st punktides { x k } k = 0 n + 1 {\displaystyle \{x_{k}\}_{k=0}^{n+1}} funktsiooni v {\displaystyle v} tuletist ei leidu. Ruumi V {\displaystyle V} jaoks saab valida järgneva baasi: v k ( x ) = { x − x k − 1 x k − x k − 1 ,  kui  x ∈ [ x k − 1 , x k ] , x k + 1 − x x k + 1 − x k ,  kui  x ∈ [ x k , x k + 1 ] , ∀ k = 1 , … , n 0  muul juhul  . {\displaystyle v_{k}(x)={\begin{cases}{\frac {x-x_{k-1}}{x_{k}-x_{k-1}}},&{\mbox{ kui }}x\in [x_{k-1},x_{k}],\\{\frac {x_{k+1}-x}{x_{k+1}-x_{k}}},&{\mbox{ kui }}x\in [x_{k},x_{k+1}],\qquad \forall k=1,\ldots ,n\\0&{\mbox{ muul juhul }}\end{cases}}.} Sellise definitsiooni kohaselt on igas intervallis [ x k − 1 , x k + 1 ] {\displaystyle [x_{k-1},x_{k+1}]} defineeritud baasifunktsioon v k {\displaystyle v_{k}} kolmnurkfunktsioon. Kehtib v i ( x j ) = δ i j {\displaystyle v_{i}(x_{j})=\delta _{ij}} , kus δ m n {\displaystyle \delta _{mn}} tähistab Kroneckeri sümbolit. Baas rahuldab järgmisi omadusi: (7): ∫ 0 1 v j v k d x = 0 , ϕ ( v j , v k ) = 0 ,  kui kehtib  | j − k | > 1. {\displaystyle \int _{0}^{1}v_{j}v_{k}dx=0,\qquad \phi (v_{j},v_{k})=0,\qquad {\mbox{ kui kehtib }}|j-k|>1.} Kirjutades otsitava funktsiooni u ( x ) {\displaystyle u(x)} baasifunktsioonide v k ( x ) {\displaystyle v_{k}(x)} kaudu u ( x ) = ∑ k = 1 n u k v k ( x ) {\displaystyle u(x)=\sum _{k=1}^{n}u_{k}v_{k}(x)} ja tähistades valemis v ( x ) = v j ( x ) {\displaystyle v(x)=v_{j}(x)} , saab valemi (5) kirja panna kui (8): − ∑ k = 1 n u k ϕ ( v k , v j ) = ∑ k = 1 n ∫ f ( x ) v k ( x ) d x , ∀ j = 1 , … , n . {\displaystyle -\sum _{k=1}^{n}u_{k}\phi (v_{k},v_{j})=\sum _{k=1}^{n}\int f(x)v_{k}(x)dx,\qquad \forall j=1,\ldots ,n.} Defineerides vektorid u = ( u 1 , … , u n ) T {\displaystyle \mathbf {u} =(u_{1},\ldots ,u_{n})^{T}} ja b = ( b 1 , … , b n ) T {\displaystyle \mathbf {b} =(b_{1},\ldots ,b_{n})^{T}} , kus b i = ∫ f ( x ) v i ( x ) d x {\displaystyle b_{i}=\int f(x)v_{i}(x)dx} , ning maatriksi L = L i j = ϕ ( v i , v j ) {\displaystyle L=L_{ij}=\phi (v_{i},v_{j})} , saab valemi (8) avaldada kui (9): − L u = b . {\displaystyle -L\mathbf {u} =\mathbf {b} .} Järelikult on ääreväärtusprobleem taandunud u {\displaystyle \mathbf {u} } leidmisele võrrandis (9). Omaduse (7) tõttu on maatriks L {\displaystyle L} sümmeetriline, positiivselt määratud ja hõre, st enamus tema elementidest on nullid. Seda tüüpi võrrandite jaoks on välja töötatud mitmesuguseid algoritme, näiteks konjugeeritud gradiendi meetod ning LU- ja Cholesky dekompositsioon, mis arvutite peal efektiivselt realiseeruvad. LEMi on võimalik rakendada ka kõrgemaid (osa)tuletisi sisaldavatele ääreväärtusprobleemidele, näiteks Neumanni ja segaprobleemile, üle suvalise piirkonna Ω {\displaystyle \Omega } . Diferentsiaalvõrrandi järk määrab baasifunktsioonide pidevuse tingimused, piirkonna dimensionaalsus aga elementide dimensiooni, näiteks Ω ⊂ R 2 {\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{2}} võib jaotada kolmnurkadeks, ruutudeks või muuks kumeraks hulknurgaks, Ω ⊂ R 3 {\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{3}} tetraeedriteks jne (ühedimensioonilises probleeminäites on piirkond sirglõikudeks jaotatud). Nõrk vorm formuleeritakse Greeni identsusi kasutades, nt homogeense Dirichlet' probleemi nõrgaks vormiks on ∫ Ω f v d V = − ∫ Ω ∇ u ⋅ ∇ v d V = − ϕ ( u , v ) . {\displaystyle \int _{\Omega }fvdV=-\int _{\Omega }\nabla u\cdot \nabla vdV=-\phi (u,v).} Baasifunktsioonid e interpolatsioonifunktsioonid on üldjuhul tükati polünoomid, nt Hermite'i ja Lagrange'i polünoomid, kusjuures nende väärtused peavad pidevuse tagamiseks erinevate elementide kokkupuuteäärel olema võrdsed. Nõrga vormi koostamist ja selle lähendamist lõpliku baasiga nimetatakse Galjorkini meetodiks. Ülesanne taandub lõpuks numbrilisele maatriksivõrrandi lahendamisele või Runge-Kutta meetodi rakendamisele. Lõplike vahede meetod (LVM) on alternatiivne viis osatuletistega diferentsiaalvõrrandite (süsteemi) lahendamiseks. Põhilised erinevused LEMi ja LVMi vahel on: LEM suudab keeruka geomeetria ja ääreväärtusprobleemi lahendada, samas kui LVMi lahendamise piirkond on ristkülikukujuline (või ristkülikutest koosnev); LVMi on lihtsam implementeerida; LVM on teatud probleemide (nt Poissoni võrrandi) puhul LEMi erijuht; LEMi lähendus on üldjuhul täpsem vastavast LVMi omast (kuigi see sõltub üsna palju probleemi püstitusest; LVMiga sama täpsuse saavutamiseks vajab LEM palju vähem võre sõlmpunkte, järelikult implementeerimisel ka vähem mälu andmete töötlemiseks). LEMi kasutatakse üldiselt struktuurianalüüsis, samas kui arvutuslikus hüdrodünaamikas (nt õhuvoolude simulatsioon lennukitiiva ümber) kasutatakse rohkem LVMi või lõpliku ruumala meetodit. LEM on populaarne mehaanika valdkonda kuuluvate insener-tehniliste probleemide simulatsioonides. LEM on integreeritud aeronautika-, ehitus-, laeva-, auto- ja isegi mööblitööstuse disainimis- ning tootmisprotsessi. Paljud LEMi tarkvarapaketid koosnevad komponentidest, millest igaüks käsitleb erinevaid füüsikavaldkondi, nt termodünaamika, elektromagnetism, hüdrodünaamika ja mehaanika. LEM aitab visualiseerida materjalide pingeid, nende jaotust ja konstruktsiooni vastupidavust, samuti on võimalik minimeerida erinevaid karakteristikuid, näiteks kaalu, materjali- ja tootmiskulu. LEMi tarkvara võimaldab simulatsiooni parametriseerida (nt konstruktsiooni pingete simulatsioon, kus parameetriks on erineva raskusega koormised), arvestada ajalist sõltuvust ja saada tulemus soovitud täpsuse piires. LEM on märkimisväärselt parandanud tootearenduse standardeid ja metodoloogiat, seda eriti tööstusvaldkonnas. Näiteks on LEMi kasutuselevõtuga kontseptsioonist tootmisliinini jõudmise aeg oluliselt vähenenud. Seda tänu prototüüpide tarkvaralise testimise võimalusele, mis elimineerib mitteoptimaalsed või -töötavad prototüübid ning nendega seotud kulud, näiteks materjal ja aeg, tootearenduse algetappides. Lisaks tööstuslikule rakendusele uuritakse LEMi abil füüsikalisi olukordi, mille tingimustes on raske eksperimenti läbi viia või seda seletav mudel vajaks kontrollimist. Galjorkini meetod Kompuuterfüüsika Lõplike vahede meetod Numbrilised meetodid Rayleigh'-Ritzi meetod Variatsiooniarvutus Kurrer, Karl-Eugen (2008). The History of the Theory of Structures: From Arch Analysis to Computational Mechanics. Ernst & Sohn. Lk 655. ISBN 978-3433018385. Argyris, J.H.; Kelsey, S. (1954). "Energy Theorems and Structural Analysis". Aircraft Engineering. 26: 347–356.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Gupta, K.K.; Meek, J.L. (1996). "A Brief History of the Finite Element Method". International Journal for Numerical Methods in Engineering. 39: 3761–3774.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) "Geschichte der FEM". www.cadfem.de. Vaadatud 21. sept 2013. (saksa k) Kasemägi, Heiki (2009). Kompuuterfüüsika II. "FEM-FDM" (PDF). www.delcam-ural.ru. Vaadatud 24. sept 2013.[alaline kõdulink] lk 3 (ingl k) Mahendran, M. (2007). Applications of Finite Element Analysis in Structural Engineering (PDF). Proceedings International Conference on Computer Aided Engineering. Chennai, India. Lk 38–46. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 8. oktoober 2013. Vaadatud 15. oktoobril 2013. eprints.qut.edu.au (ingl k) Piala, Peter; Kalina, Tomas (2010). "Finite Element Method in Ship's Industry". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Koc; Kizilkaya; Erdinler; Korkut (2011). "The use of finite element method in the furniture industry". African Journal of Business Management. 5(3): 855–865. DOI:10.5897/AJBM10.551.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Petrin, H.; Wiesler, B. (1999). Application of FEM — Tools in the Engine Development Process (PDF). 1st Worldwide MSC Automotive Conference. München, Saksamaa.{{cite conference}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) web.mscsoftware.com lk 3 (ingl k) Lahe, Andres. Lõplike elementide meetod. Tallinn, 2008. [1] Kirs, Jüri. Sissejuhatus lõplike elementide meetodisse (I,II,III osa). Tallinn, 2001. Kasemägi, Heiki. Kompuuterfüüsika II. Tartu, 2009. Ottosen, N.S.; Petersson, H. Introduction to the Finite Element Method. Prentice Hall, 1992. ISBN 978-0134738772 Zienkiewicz, O.C; Taylor, R.L.; Zhu, J.Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals (6th ed). Butterworth-Heinemann, 2006. ISBN 978-0750663205 Segerlind, L.J. Applied Finite Element Analysis (2nd ed). John Wiley & Sons, 1984. ISBN 978-0-471-80662-2 Lewis, R.W.; Nithiarasu, P.; Seetharamu, K. Fundamentals of the Finite Element Method for Heat and Fluid Flow. John Wiley & Sons, 2004. ISBN 978-0470847893 Scholarpedia – Finite element method