Численные методы расчета - Алгоритмы компьютерного моделирования
Решить задачу для математической модели - значит указать алгоритм для получения требуемого результата из исходных данных.
Алгоритмы решения условно делятся на:
Точные алгоритмы, которые позволяют получить конечный результат за конечное число действий;
Приближенные методы - позволяют за счет некоторых допущений свести решение к задаче с точным результатом;
Численные методы - предполагают разработку алгоритма, обеспечивающего получение решения с заданной контролируемой погрешностью.
Решение задач строительной механики связано с большими математическими трудностями, которые преодолеваются с помощью численных методов, позволяющих с применением ЭВМ получать приближенные, но удовлетворяющие практическим целям решения [2].
Численное решение получают путем дискретизации и алгебраизации краевой задачи. Дискретизация - замена непрерывного набора дискретным множеством точек. Эти точки называют узлами сетки, и только в них ищут значения функции. При этом функция заменяется конечным множеством ее значений в узлах сетки. Используя значения в узлах сетки можно приближенно выразить частные производные. В результате дифференциальное уравнение в частных производных преобразуется в алгебраические уравнения (алгебраизация краевой задачи).
В зависимости от способов выполнения дискретизации и алгебраизации выделяют различные методы.
Первым методом решения краевых задач, получившим широкое распространение, является метод конечных разностей (МКР). В данном методе дискретизация заключается в покрытии области решения сеткой и замене непрерывного множества точек дискретным множеством. Часто используется сетка с постоянными величинами шага (регулярная сетка).
Алгоритм МКР состоит из трех этапов:
- 1. Построение сетки в заданной области. В узлах сетки определяются приближенные значения функции (узловые значения). Набор узловых значений - сеточная функция. 2. Частные производные заменяются разностными выражениями. При этом непрерывная функция аппроксимируется сеточной функцией. В результате получают систему алгебраических уравнений. 3. Решение полученной системы алгебраических уравнений.
Еще одним численным методом является метод граничных элементов (МГЭ). Он основывается на рассматривании системы уравнений, включающей только значения переменных на границах области. Схема дискретизации требует разбиения лишь поверхности. Граница области делится на ряд элементов и считается, что нужно найти приближенное решение, которое аппроксимирует исходную краевую задачу. Эти элементы называются граничными. Дискретизация только границы ведет к меньшей системе уравнений задачи, чем дискретизация всего тела. МГЭ уменьшает размерность исходной задачи на единицу.
При проектировании различных технических объектов широко используется метод конечных элементов (МКЭ). Возникновение метода конечных элементов связано с решением задач космических исследований в 1950-х годах [3]. В настоящее время область применения метода конечных элементов очень обширна и схватывает все физические задачи, которые могут быть описаны дифференциальными уравнениями. Наиболее важными преимуществами метода конечных элементов являются следующие:
- 1. Свойства материалов смежных элементов не должны быть обязательно одинаковыми. Это позволяет применять метод к телам, составленным из нескольких материалов. 2. Криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных элементов или описана точно с помощью криволинейных элементов. 3. Размеры элементов могут быть переменными. Это позволяет укрупнить или измельчить сеть разбиения области на элементы, если в этом есть необходимость. 4. С помощью метода конечных элементов не представляет труда рассмотрение граничных условий с разрывной поверхностной нагрузкой, а также смешанных граничных условий.
Решение задач по МКЭ содержит следующие этапы:
- 1. Разбиение заданной области на конечные элементы. Нумерация узлов и элементов. 2. Построение матриц жесткости конечных элементов. 3. Сведение нагрузок и воздействий, приложенных к конечным элементам, к узловым силам. 4. Формирование общей системы уравнений; учет в ней граничных условий. Решение полученной системы уравнений. 5. Определение напряжений и деформаций в конечных элементах.
Основной недостаток МКЭ -- необходимость дискретизации всего тела, что ведет к большому количеству конечных элементов, и, следовательно, неизвестных задачи. Кроме того, МКЭ иногда приводит к разрывам значений исследуемых величин, поскольку процедура метода налагает условия неразрывности лишь в узлах.
Для решения поставленной задачи был выбран метод конечных элементов, так как он наиболее оптимальным для расчета конструкции со сложной геометрической формой.
Похожие статьи
-
Теоретические аспекты поставленной задачи В этой части проекта будут объяснены этапы применения МКЭ для плоской фермы. В первой главе было рассмотрено...
-
Метод конечных элементов является численным методом для нахождения приближенных решений физических задач. В основе этого метода лежит разделение...
-
Введение - Алгоритмы компьютерного моделирования
В современном мире все чаще возникает необходимость предсказать поведение физической, химической, биологической и других систем. Одним из способов...
-
Конечно-элементный анализ широко применяется при решении задач механики деформируемого твердого тела, теплообмена, гидро - и газодинамики, электро - и...
-
Описание основных возможностей МКЭ МКЭ представляет собой эффективный метод решения инженерных задач. Область применения метода от анализа напряжений в...
-
Численные методы. Интерполяция Ньютона
Задание 1 Запишите порядок выполняемых вами операций, оцените погрешности их результатов, вычислите и запишите искомое значение. Определите число верных...
-
Анализ алгоритмов построения сеток - Программное обеспечение расчета конструкций
Общая последовательность построения состоит в следующем. В начале с помощью CAD-системы создается геометрическая 2D-модель исследуемой конструкции. Для...
-
Результаты расчета (точки искомой функции) сохраняются в переменных-массивах: для аргумента X и функции Y, которые отображаются в виде таблицы или...
-
Метод конечных элементов (МКЭ) жесткости возник в аэрокосмической отрасли. Исследователи рассматривали различные подходы к анализу сложных частей...
-
Понятие и виды моделирования Исследовательские задачи, решаемые с помощью моделирования различных физических систем, можно разделить на четыре группы: 1)...
-
Альтернативный метод вывода - Моделирование сетей
Рассмотрим модифицированный алгоритм Байесовского вывода, используя индикаторные функции равенства. В классической логике, две значения могут быть либо...
-
Выведем в общем виде уравнение движения заданной динамической модели при помощи уравнений Лагранжа II рода. Полная кинетическая энергия: , Полная...
-
Для решения сформулированной задачи, т. е, для нахождения оптимального варианта конструкции наиболее эффективным является метод динамического...
-
Для реализации поставленной задачи методом конечных элементов будут использованы следующие программные обеспечения (ПО): - MATLAB - ПО и одноименный язык...
-
Наиболее распространенной реализацией МКЭ является метод прямой жесткости, применяемый для компьютерного моделирования сложных структур. Это матричный...
-
Понятие линейной стохастической сети Одним из важных этапов технологического проектирования электронных вычислительных средств является расчет запусков...
-
Полуавтоматический метод с моделированием материалов, RSOLP based алгоритм - Моделирование эффектов
Следующий этап улучшения алгоритма - работа со способами моделирования освещения. Характер теней существенно зависит от материалов объекта и плоскости....
-
В работе возникает необходимость выбора предметной области, в которой будет тестироваться каскадный классификатор. Главными вопросами на данном этапе...
-
Составление частотного уравнения методом последовательного расщепления Рисунок 3.1 - Исходная модель. Расщепим ее на массе 2 Рисунок 3.2 - Расщепление на...
-
Этапы компьютерного моделирования при исследовании термодинамических процессов в композиционных материалах Композиционные материалы, состоящие из...
-
Программный алгоритм визуальный гаусс В программу включены следующие процедуры: "gauss1", "gaussj", "New1Click", "Button1Click", "Button2Click",...
-
Понятие о компьютерном математическом моделировании Модель - материальный объект, система математических зависимостей или программа, имитирующая...
-
По Р. Шеннону (Robert E . Shannon - профессор университета в Хантсвилле, штат Алабама, США ), "имитационное моделирование - Есть процесс конструирования...
-
Обоснование выбранного метода При дизайне системы согласно требованиям или при оптимизации существующей необходимо ввести модель, позволяющую не только...
-
Описание алгоритма - Решение системы линейных уравнений методом Гаусса
Согласно заданию необходимо разработать программу для решения линейных уравнений методом Гаусса. Поскольку данная программа является приложением Windows,...
-
С помощью диалоговых окон были отображены задания, их выбор, поля для ввода входных данных, заполняемые по умолчанию, полученный результат и визуализация...
-
Методы изображение алгоритмов - Алгоритм
На практике наиболее распространены следующие формы представления алгоритмов: 12. словесная (записи на естественном языке); 13. графическая (изображения...
-
Нечеткий вывод как расширение Байесовского алгоритма - Моделирование сетей
Применим тот же подход, что и в случае с детерминированным логическим выводом, к нечеткому логическому выводу. Преобразуем эту систему в фактор от двух...
-
Постановка задачи Целью работы является изучение основных этапов автоматизированного структурного проектирования технологических маршрутов: -...
-
Для решения трехмерной задачи упругости с помощью метода конечных элементов были заданы следующие основные параметры: [1]. Количество секций. [2]....
-
Моделирования случайных процессов - Теоретические основы информационных технологий
Моделирование случайных процессов - мощнейшее направление в современном математическом моделировании. Событие называется случайным, если оно достоверно...
-
Пересечение луча с поверхностью - Моделирование эффектов
Алгоритм расчета пересечения луча с ограниченной поверхностью, представленный на рис.1 имеет следующие шаги: Рисунок 1 Шаг 1. Рассчитываются все точки...
-
Введение - Программное обеспечение расчета конструкций
Метод конечных элементов является одним из наиболее распространенных методов решения задач математической физики. Это связано с большой универсальностью...
-
Для дальнейшей работы необходимо построить следующие алгоритмы: алгоритм работы программы в целом, и алгоритм обучения нейросети. Обобщенная схема...
-
МЕТОДОВ МЕТОД СОРТИРОВКИ Пирамидальная сортировка Пирамидальная сортировка основана на алгоритме построения пирамиды. Последовательность aI, aI+1,...,aK...
-
Базовый алгоритм - Моделирование эффектов
В качестве базового был разработан следующий алгоритм. Исходные данные: - фотография сцены с объектом (одна) - фотография сцены без объекта (одна) -...
-
Численные эксперименты были проведены для следующих целей: Подтверждение корректности алгоритмов. Подтверждение линейности временных затрат алгоритмов. В...
-
Расчет экономической эффективности статическим методом Простые или статические методы базируются на допущении равной значимости доходов и расходов в...
-
Метод трассировки лучей - Моделирование эффектов
Основная идея метода заключается в повторении на ЭВМ всех геометрических преобразований, которые бы совершил световой луч на пути источник - объект -...
-
Обобщенный алгоритм решения задачи Необходимо рассчитать, какую сумму денежных средств внесет лицо, производящее оплату по 1 000 рублей ежеквартально под...
Численные методы расчета - Алгоритмы компьютерного моделирования