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Academic year: 2021

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全文

(1)

ア ダ ィ ブ 有 限 要 素 法 対 す る メ

成 法 評 価

E

v a

l

u a

t i

o n o

f M

e s

h G

e n e r a

t i

o n

S t

r a

t

e

g

l e S O n

A d

a

p t i

v e

F i

n

i t

e

E l

e m e n

t M

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o

d

大 森 克 史 篠 原 信 夫

*

K

ats u s

h i O H M O R I

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d N

o

b

u o

S H I N O H A R A

oh m o ri @ edu t. oy a m au .a cJ P

n sin oh a r atky@ u min.a c.」 p

A bstr a ct

ln h eni te ele m e nt a n alysis fo r physic al phe n o m e n a,itis im po rta nt to u s e the nite ele m e nt m e sh s o a s to c ap tu r e s o m e fe atu r e s of the m r e a 5 0 nably Re c e ntly'the adap tiv e finite ele m e nt m ethod ba s ed o n a

p o ste rio ri e r r o r e stim ato ris w o rthy of at te ntio n fr o m b oth m athe m at ic al a nd c o m putatio n al p oints ofvie w In this pape r w e c o n side r the pe rfo r m a n c e of s o m e str ategie sfo r the adap tiv e m e shr en em e nt of tria ngulatio n s it h is m et hod.

1 は じ め に

有限要 素解 析に おける メ ,リ等 限り あ る ン ピ タ資 源有 効 利 用 や, よ り精 度計 算 を行う た め.

様に細か く要 素 分 割を行 うで はな く, 与 えられた問題に適 合 させ る よう なメ 作 成,ば 物変化 が激 部 分に節 点 を 集 中させ る よう なダ プテ ィブ有 限要 素法研 究 が盛ん に行われて. しか し,

物理 量分布予測に よ るも, 領 域形 状適 合 分割 など, 解 析 者経 験に 左右 さ れた り, 必ず も 問題に適 合しな方 法が 主 に扱われて い. 本 研 究で は,

有 限 要 素解事 後誤 差 評 価研 究

[

7

]

を ふ ま え, Pois s o n

程 式にい て V e rfiirth が 示 し た指 標

[

1

]

を 用 と に よ

り事 後差評 価に よ る ダプ テブ有 限 要 素メ 自 動 作 成,び メ を 作 成 す要 素分 割 法評 価を行 .

2

問 題

o を R 2連 結 有 界 多 角 形 領 域と し,境 界をrとす る. 0 開 部 分 集 合L J と そ境 界7 :L Jい て通常

Lebe sgu e

Sobole v 空 間L2

(

L J

)

,L2

(

7

)

,H l

(

L J

)

定 義

, ノ ル ムをそれぞれ

II

Il

o,2 ;L J,

l L

o,2; ↑,

=

Il

l,2;とするI ' 東 京 大 学 大 学 院 医 学 系 研 究 科

医 学 博課 程 社 会 医 学 専 攻(医 療報 経)

本 研 究で は,fl にお けるD irich leし N e u m a n n 混 合 型 境 界 条 件 を持 Pois s o n 方 程 式を考え る.

il i!

.

o n r).

o n rN .

た だ し, r IID U rN ,rD n rN 0 であり, rDr に対 し て閉,長 さ を 持と す る. こ こ で,f ∈ L2

(

o

)

,9

L2

(

rN

)

仮 定 す.

空 間X ように定 義 する.

x :

(

v ∈ H l(o

) (

v o o n rD

)

こ こで問 題

(

E

)

対 す弱 形 式け る

(

)

た だ し

Find u,∈ X s u ch that.

a

(

.u,u

)

< F,t, > ,u ∈ X .

a

(

u ,v

)

=

/

n u u dx .

F,v ,

/

n

f vdL, +

/

r)v

g Uds

(

)

意 解

(2)

3 有 限 要 素 法

Th

(

h > 0

)

0 角 形 分 割. こ こで Th 要 素 Ti は閉三角形 あ り,を NT とす. 分 割の 1

)

か ら3

)

条 件を満.

N T

1

)

Ti 分 割 され る

i=1

2

)

要 素内 点 集 合は int Ti n int T j

(

i

j

)

た して い.

3

)

Tin Tj

(

i

3

)

' 空 集 合, 共 通の 1 頂 点, 共 通の 1あ る.

以下, 三角 形 分 割族 Th は 正則仮 定 する, 即ち, 佳 意 要 素T Th 任 意角0 に対, 0 ≧0. > 0 を満たす 定 数β が存 在 する.

問題

(

)

, 角 形 有 限 要 素 近 似を行 う, 上記定 義を前提 と し,有 限 要 素 空 間定 義 する.

X h :

(

vh C

(

) I

vh

I

T P l

(

T

)

T Th,

vh O o n rD

)

こ の とき,

(

)

す る近 似 問 題表 され る.

(

rib

〈 )

F inda

(

uu hh,Vh

)

X h Su<chFt,hv hat> vh ∈ Xh,

近似問 題

(

h

)

存 在,

あ る

(【

8

)

4 誤 差 の 指標

近似 問題

(

h

)

限 要素解 uh 事 後差 評 価る た

め に は, 有 限 要 素 解, 与 え ら れ たデ

(

タ や境 界 条 件 等

)

よ り計 算 され る 正確な 誤差指 標が 必要 である.

4.1

記 号

定 義

T Th に対し, E を T の 1 辺 とする

l

T

[

,hT,h E

を そ れ ぞ れ T 面積, T 最 長長さ,E 長 さと す る. ま た, n EE と直 交す る単位 と し,E を横 切

る値

[

p

]

E :

t

*

.

(

I + tn E

)

t

王 忠

p

(

I tn E

)

x ∈ E

を定 義 す. 各 要 素T Th に対,要 素集 合を f

(

T

)

と し, 三角 形 分割 Th 辺全 体集 合

fh

U

f

(

T

)

T ∈7Th

を定 義 す. ま た,fh を次分割 する. fh fh,fh,D Ufh,N

た だ し

Ch,D :

(

E Ch

l

E ⊂ rD

)

fh

,N :

(

E fh

l

E rN

)

す な,fh

,D,fh

,N は そ れぞれ D irichlet境 界, Neu m an n

境 界集 合ある.

さ ら に, T Th と 辺 を 共有 する 三角 形要素全 体領 域

L JT を次 定 義 す.

u T

T'

E(T)nf(T') ≠¢

F i g4.1 u T

4 .2

残 差 事 後誤 指 標

問題

(

E

)

条件元 で,の 2 評価り 立

Pr o po sitio n 4.1.

u,uh を そ れ ぞ れ

(

rI

)

,

(

rib

)

る と き, 任 意 w X にい て評 価する. た だ し, Co は 0 と rDみ依 存する 正定 数あ る.

sup

(

< F, w > a

(

uh, W

))

w ∈X ,flu)ll,2 ; ∩1

ll

u u h

lf

l,2;n

(

1 + C

昌 )

s up

(

< F, w > a

(

uh,W

))

w ∈X,Hw"1,2;n 1

Pr o o

f

.

)

u ∈ X ,uh X h を そ れ ぞ れ

(

)

,

(

r ib

)

る と, 次 式り 立,

(

u u h

)

w d3: < F, w > a

(

uh,W

)

w ∈ x .

(3)

こ こ で, Sch w ar z 不等式 よ り

v ,w dx <

̲

H

v

[l

o,2;0

ll

w

I I

o,2 ;0

‖州

1,2 ;0

ll

w

lt

l,2;0 あ る か ら,

w6 X .,,

S

IF

w ,2 ; n =1

/

0

v .w dx

ll

v

1,

が成り 立.

方Poin c a r6Friedrich 不等 式よ り

tl

v

ll f

,2;0

v

L[ Z

,2 ;0 +

"

v

il

o,2;f2

(

1 + C

&) Il

v

[l

o,

(

1 ・ C

&) /

o v v dx

あ り, こ こ で w =

」 」

と取る と

=

v

lr

l,2;n

v

II

l,2;0

(

1 . C

&) /

o v w dx

を得る, v X よ り w ∈ X ,

H

w

ll

l,2;n 1の で

v

I[

1,2,0

(

1 I C

a)

w。 x ,..

s

lだ

w .2 ; n = 1

/

0

v Iw dx

が成り 立. ⊂コ

P r opo sitio n 4.2.

uh

(

h

)

る と き, 任 意 w X い て

評 価. た だ し, Cl は Th 最小角大 きさ み に依 存 する 正定 数ある.

< F,w > a

(

uh, W

)

Cl

ll

w

Ll

l,2 ;

0

l' Z

2;T +

hE

Il

9 n E uh

[[ Z

,2;E

E ∈fh ,N

E E

S

,N hE

.・ [

n E uh

]

E

・・ Z

,2;

)

E

12

Propositio n 4.1, 4.2 よ り次評 価を得る

ll

u uh

II

l,2 ;0C

(

2

;

T T^h

i .,

I

.. Z

2 ;T +

hE

[l

9 nE uh

fl

,2 ;E

E ∈Eh ,N

E E

;

,N hE

・.[

n E uh

,

E

,・ Z

,2 ;

)

E

12

(

41

)

ただ, C2 Cl

(

1 + C

昌 )

.

Ve rftirth は, 近 似 問題

(

h

)

対 する 誤指 標と し,

要 素T Th に対し て残 差 事 後誤差 指 標R,T を 次

ように定 義した

【叶

(

1

R,T := h

引 I

fT

[I Z

,2,T

+

hE

IJ [

n E .uh

]

E

l

,2;E

E ∈C(T)nth,f }

E 。 f

;

( nth,Nh E

.,

gE n E uh

.1 3

72 ;

)

E 12

た だ し

J

T :

/

T

f

dx , gg

9ds

こ のT は有 限 要 素 解uh, タ と問題

岬)

い て与え ら れ たデ

f

, 9 に よ 各 要 素ご と に計 算 すると が できる こ こ で, qR,T 1項は 三角 形 要 素丁 自身に固 有あ り,2 項は隣り合 う 要 素か ら寄 与,

3 項はNe u m a n n 境 界 条 件か ら寄 与あ る.

qR,T を用い て,

(

41

)

(

42

)

表 す

が できる.

(

4.2

)

よ り, 有 限 要 素 解uh の H l) ル ム

TIR,T に よ お さ え ら れ ると が わ か る.

〈 主

T

II

u uh

ll

l,2;nC2

T ∈Th

+

f JT

=

,2 ;T

T ∈ Th

+

hE

II

g gE

ll

,2 ;E

E ∈Ctt.N

(

42

)

,77R,T 誤差指標と して の正当性は,

定理 で保 証 される.

T he o r e m 4.3.

(

Ve rfa rth

[

1

】 )

u, uh を そ れ ぞ れ

(

)

,

(

h

)

る と, て の T

Th,評 価が成立する. た だ し, C,Q は Th

大 き さみ に依 存 する 正定数ある.

Il

u uh

I]

1,2;≦ e

( S

T Th

r

+

f JT

,, ;T

T ∈.

+

h E

ll

9 9E

2 ;E

E ∈fh.N

1/2

(4)

77R,T ≦ Q

"

u uh

2 ;u T

+

ll

f

f

T,

,,;TI T/w T

E ∈E

;

( nth,NhE

.l

9

I. g

2 ;

E

12

R e m a rk 4.4 .

有 限 要 素 法で用ら れ る 三角 形 分 割に , 極 端角 度大 き角 を 持鈍 角角 形 要 素 や, 極 端に短辺 を持

鋭 角角 形 要 素存 在 すると は好まれ な. こ のよう な角 形 要 素が存 在 する 目安の 1 と し て, 三角 形 分 割 お け る最小角大 きさ に注目すと が. T he orem 4,3 ,大 き さみ に依 存 する定 数を 用い て

指 標が 上 下 か ら押え ら.

5 有 限 要 素

の 作 成

5.1

事 後 誤 差 評 価

あ る 三角 形 分 割Th に お け る

(

h

)

近似 解u h た と, 多く問 題は厳 密 解を解 析 的に求め ると は難し の で, 近似 解u h 誤差を直接 計 算 すると はき な.

こ で T he orem 4.3 を ふ ま え, 77R T を各 要 素計 算 す ると に よ 近似 解の H l ノ ル ム差を 見積も ると を 考え る.

般に有限 要素 法は メ を細か くする ほ ど 近 似 解厳 密 解と が保証されて い.こ で, 17R T 大き要 素が 近似 解 H l/ ル ム誤差大き要 素

あ る と 見当を,要 素 付近の メ を細か くす ると に よ り, 解に適 合し た有 限 要 素メ を作 成 す

と が, 近似 解精 度を 上げると が できる.

5 .2

有 限 要 素

自 動 作 成

流 れ

自 動 作 成1 プの流 れ

1 初 期メ 7

?

構 成 す, k 0.

2 三角 形 分 割 Thk に お け る有 限 要 素 解 uh を得る. 3 uh , 各 要 素T Thk誤差指 標qR,T

計 算 する. 4 =

T m

E

RT 計 算,

77R,TK り

(

0 < K < 1

) (

51

)

を満たす 要 素を分 割素と し取 り 上げる.

(

選 択 要 素と 呼 ぶと に す る.

)

51 選 択 要 素が決 定し た Thk に対め ら れ た要 素 分 割 法を 用い て 作 成を行, Thk + 1 を得る

6.k ( k + 1. 7.go to2 .

初 期対し てこ の プを繰り 返と に よ り,適 合し た有 限 要 素 自動 的に作成て い と がきる.

5 .3 ア

ダ プ

テ ィ

メ ッシ

分 割

5.3.1 基 本とな る 分 割

1 三角 形 要 素に対 する基 本 的 な 分 割 を 定義 す.

1. r ed 分 割

3 辺中 点と に よ り合同な4 角 形に分 割 する.

2. bll l e 分 割

まず2中 点を結び,の 1

(

え ば,

)

中 点か ら相 対 する頂 点 を 結と に よて 3 分 割 す.

3, gr e e n 分割

1

(

例 え ばm ark 辺 や最 長

)

中 点, 相 対 す頂 点を結ぶと に よ て 2 分割 す.

÷ /

gr e e n

̲

Fi g.5.1 基 本なる分 割

5.3.2 lla mgl n g n ode

三角 形 分 割 中ある 要素頂 点が他三角 形辺 上 に あ る と き, こ の頂 点をh an gi ng n ode

(

nonco nfo r ming n ode

)

と し定 義 す.

Fi g512 h an gl ng node

(5)

53.3 r egula r 分割 法

選 択 要 素に r ed 分 割を ほ どと に よ り, 作 成行 う. 選択 要 素4 分 割さ れ るで細 分 化プ数反 面, hang ing n ode も 多 く発 生する た め,処 理 が難. h ang ing node 処 理 に よ な種 類が存 在 する が, 本 研 究で はred 分 割とgr e e n 分 割 み を 用い て bang ing node を 処 理する方 法

2

. 分 割の読 れ

1. 選 択 要 素の処 理

選 択 要 素 をr ed 分 割 する. 2 ha ngi n g n od e 処理

(

1

)

hang ing n od e2 個 以ある要 素 をr ed 分 割 する

(

た に b a nging node が発する 可能 性が あ る

)

.

hang in g n ode が 2 個以 上 あ る要 素がなくな る ま で 繰り 返 し行 う.

(

2

) (

1

)

作 業了 し た

た ha nging n ode1

要 素をgree n 分 割 する.

要 素 分割を1 プ進ま せ た例を次の F i g.5.3 に 示す.

Fi g.5.3 regular 分 割 法要素 分 割 例

こ の方 法で は作 成さ れ る 三角 形 分 割最小角大 き さが 次 第に 小さくな し まう可能 性ある. れ に対, 最 小角大き さを保 存し た regular 分 割 法 も考 案さ れて い

1,5

]

.

5 .3.4 m a rked edge 分 割 法

角 形 要 素属性と して 1 辺 を そ要 素

m a rk 辺 と しお き, 選択 要 素 m ark 辺 に対

gr e e n 分 割 をと に よ り メ 作 成行う

3,4

]

.

こ の方法特徴は分 割に よ り 生成 する要素判 断で き,

ど んなに メ 作成 プ を重ね ても三角 形 分 割最 小角保 存 され, な 形要 素がきない こと である. そ れ に対, 細 分化 プ数は多くなる.

基 本 分 割

1. m a rk 辺 に対して gr een 分 割 する.

2 発 生 した 子要 素 m a rk 辺 と し,親要素 m ark 辺以 外 2 辺 を そ れ ぞ れ指 定する.

m a rked ed ge

Fi g5.4 m arked edge 分 割 法基 本 分 割

分 割流れ

1. 選 択要 素の処 理

選 択 要 素にい て基 本 分 割行 う.

2. ba ngin g n ode の処理

(

1

)

個 数関係 なく ha nging nodem ark 辺 以 外辺 上 に あ る ときは, まず 基 本 分割を行 子要 素作 り

(

子要 素 m a rk 辺 上 に ba 皿ging n ode が あ る状 態 にする

)

, さら に基 本 分割を行 う

(

Fi g.5.5

)

. 該当 す 要 素が なく なる まり 返 し行 う.

(

2

)

hanng n ode1 m ark 辺 上 に あ る要 素 に い て

, 基 本 分 割を行 う.

ha nging n ode

Fi g55 bang ing n ode 処 理

(

右側要 素い て

)

参照

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