Kas ir galīgo elementu metode?

Galīgo elementu metode ir rīks sarežģītu matemātisko problēmu aptuveno risinājumu aprēķināšanai. To parasti izmanto, ja matemātiskie vienādojumi ir pārāk sarežģīti, lai tos atrisinātu parastajā veidā, un ir pieļaujama zināma kļūda. Inženieri parasti izmanto galīgo elementu metodi, jo viņi ir saistīti ar produktu projektēšanu praktiskiem lietojumiem un viņiem nav vajadzīgi ideāli risinājumi. Galīgo elementu metodi var pielāgot dažādām precizitātes prasībām, un tā var samazināt vajadzību pēc fiziskiem prototipiem projektēšanas procesā.

Viens no galīgo elementu metodes pielietojumiem ir sarežģītu fizisko deformāciju modelēšana materiālos. Bojājumi, ko automašīna piedzīvo priekšējās sadursmes rezultātā, ir viens no sarežģītas deformācijas piemēriem. Deformācijas vienā apgabalā ir atkarīgas no deformācijām citās zonās — sadursme ir jāmodelē daudzos dažādos posmos laikā, lai redzētu, kāds būs gala rezultāts. Šis lielais darbību skaits padara šādas problēmas ar roku modelēšanu nepraktisku. Tomēr dators, kas izmanto galīgo elementu metodi, varētu atrisināt šo problēmu ar augstu precizitātes pakāpi.

Turklāt reālo materiālu deformācijas, tāpat kā daudzas citas fiziskas parādības, ir sarežģītas sekas. Viena problēma, modelējot šādus efektus, izmantojot precīzus matemātiskos vienādojumus, ir tā, ka tie būtu pārāk sarežģīti, lai tos atrisinātu ar pašreizējām zināšanām. Tāpēc skaitliskās metodes matemātikā tiek izmantotas, lai tuvinātu sarežģītākus vienādojumus, izmantojot vienkāršākus vienādojumus daudzos dažādos posmos. Galīgo elementu metodē tiek izveidots tīkls, lai modelētu izmaiņas telpā, izmantojot daudzus mazus, vienkāršākus elementus. Kļūdas pakāpe, kas izriet no šīs vienkāršošanas, ir atkarīga no tīkla elementu kopskaita.

Lai galīgo elementu metode sniegtu jēgpilnus rezultātus, ar problēmu ir jāiestata robežnosacījumu kopa. Tie būtībā nosaka, uz kādiem nosacījumiem modelim ir jāreaģē. Automašīnas piemērā robežnosacījumi būtu spēki, ko automašīnai iedarbojas ārējais objekts. Robežnosacījumi var būt punktveida spēki, sadalīti spēki, termiskie efekti, piemēram, temperatūras izmaiņas vai pielietotā siltumenerģija, vai pozicionālie ierobežojumi. Bez robežnosacījumiem nav iespējams uzstādīt problēmu, jo modelim būtu maz, uz ko reaģēt.

Viena no galīgo elementu metodes priekšrocībām ir tā, ka ir viegli izveidot detalizētas problēmas vizualizācijas. Kad modelis ir pilnībā atrisināts, šo informāciju var pārnest attēlā. Piemēram, specifiskiem spriegumiem dažādos sieta elementos var piešķirt dažādas krāsas. Vizualizācijas ļauj inženieriem intuitīvi noteikt dizaina vājās vietas, un viņi var izmantot šo informāciju, lai izveidotu jaunu dizainu. Vizualizācijas programmatūra ir daudzu galīgo elementu datorprogrammu būtiska sastāvdaļa.