Kas yra baigtinių elementų metodas?

Baigtinių elementų metodas yra įrankis apytiksliems sudėtingų matematinių problemų sprendimams apskaičiuoti. Paprastai jis naudojamas, kai matematinės lygtys yra per sudėtingos, kad jas būtų galima išspręsti įprastu būdu, ir kai kurios paklaidos yra toleruojamos. Inžinieriai dažniausiai naudoja baigtinių elementų metodą, nes jiems rūpi gaminių projektavimas praktiniam pritaikymui ir jiems nereikia tobulų sprendimų. Baigtinių elementų metodas gali būti pritaikytas įvairiems tikslumo reikalavimams ir gali sumažinti fizinių prototipų poreikį projektavimo procese.

Vienas iš baigtinių elementų metodo taikymo būdų yra sudėtingų medžiagų fizinių deformacijų modeliavimas. Žala, kurią patiria automobilis susidūrus priekyje, yra vienas sudėtingos deformacijos pavyzdžių. Deformacijos vienoje srityje priklauso nuo deformacijų kitose srityse – susidūrimą reikia modeliuoti įvairiais etapais, kad pamatytume, koks bus galutinis rezultatas. Dėl didelio žingsnių skaičiaus tokią problemą modeliuoti rankomis nepraktiška. Tačiau kompiuteris, kuriame naudojamas baigtinių elementų metodas, galėtų išspręsti šią problemą labai tiksliai.

Be to, realaus pasaulio medžiagų deformacijos, kaip ir daugelis kitų fizikinių reiškinių, yra sudėtingi padariniai. Viena iš problemų, kylančių modeliuojant tokius efektus naudojant tikslias matematines lygtis, yra ta, kad juos būtų per daug sudėtinga išspręsti dabartinėmis žiniomis. Todėl matematikos skaitiniai metodai yra naudojami sudėtingesnėms lygtims aproksimuoti naudojant paprastesnes lygtis per daug skirtingų žingsnių. Taikant baigtinių elementų metodą, sukuriamas tinklelis, kuris modeliuoja pokyčius erdvėje naudojant daug mažų, paprastesnių elementų. Klaidos laipsnis, atsirandantis dėl šio supaprastinimo, priklauso nuo viso tinklelio elementų skaičiaus.

Kad baigtinių elementų metodas duotų prasmingų rezultatų, su problema reikia nustatyti ribinių sąlygų rinkinį. Jie iš esmės apibrėžia, į kokias sąlygas modelis turi reaguoti. Automobilio pavyzdyje ribinės sąlygos būtų jėgos, kurias automobiliui daro išorinis objektas. Kraštinės sąlygos gali būti taškinės jėgos, paskirstytos jėgos, šiluminiai efektai, pvz., temperatūros pokyčiai arba naudojama šilumos energija, arba padėties apribojimai. Be ribinių sąlygų neįmanoma nustatyti problemos, nes modelis turėtų mažai ką reaguoti.

Vienas baigtinių elementų metodo pranašumų yra tas, kad lengva sukurti išsamias problemos vizualizacijas. Kai modelis bus visiškai išspręstas, šią informaciją galima perkelti į paveikslėlį. Pavyzdžiui, specifiniams įtempiams skirtinguose tinklelio elementuose gali būti priskirtos skirtingos spalvos. Vizualizacijos leidžia inžinieriams intuityviai nustatyti silpnąsias projekto vietas ir jie gali naudoti šią informaciją kurdami naują dizainą. Vizualizacijos programinė įranga yra esminė daugelio baigtinių elementų kompiuterių programų dalis.