有限元素法與有限體積法

有限元素網格(finite element mesh)

要估計地圖上一座湖的面積,你可能會用許多小三角形把它鋪滿,算出每個三角形的面積再加起來。有限元素網格就是把這種鋪砌應用到計算區域上:PDE 所在的區域被切成大量小巧、簡單、互不重疊的片,稱為元素,而解則在每一片上逐片逼近。

一個元素是一種基本形狀——二維中通常是三角形或四邊形,三維中是四面體或六面體——元素之間邊對邊、頂點對頂點地相接,無縫隙、無重疊地覆蓋整個區域。角點(有時還有邊上或內部的點)就是承載未知數的節點。由此衍生兩大優勢。其一,幾何彈性:非結構的三角形與四面體網格可以包覆彎曲邊界、機翼、引擎缸體或血管,而規則的方格有限差分網格在此會捉襟見肘。其二,局部細化:你可以在解變化快的地方(應力集中、邊界層)密集放置許多小元素,在平緩之處使用粗元素,把力氣只花在能換來精度的地方。

網格「品質」與網格細密度同樣重要,這正是誠實的陷阱。又長又薄的「狹片」三角形或嚴重扭曲的元素會放大剛度矩陣的條件數,即使元素很小也會毀掉精度——誤差界取決於最小角,而不只是尺寸 h。在複雜的三維幾何上生成一個好網格本身就是一項困難、有時半人工的工程任務,對許多真實模擬而言,產生網格所耗的人力比求解還多。網格生成、平滑化與品質度量(縱橫比、最小角、歪斜度)本身就是一個嚴肅的子領域。

對一片 L 形膜劃網格:粗網格可能用 50 個三角形,但在凹進的尖角附近解有奇異性(梯度爆掉),所以好的網格在那裡密集放置極小的三角形,而在平滑的內部留下較大的三角形——由誤差所在處引導的漸變細化。

非結構的三角形包覆彎曲幾何,並在解困難之處密集鋪設。

控制精度的是元素品質,而不只是元素數量:一個角近乎為零的狹片三角形會破壞剛度矩陣的條件性。若元素形狀不良,「更多元素」也無濟於事。

又稱
meshgridtriangulationtessellation網格三角剖分