ア ダ プ テ ィ ブ 有 限 要 素 法 に 対 す る メ ッ シ
ュ生 成 法 の 評 価
E
v al
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大 森 克 史 篠 原 信 夫
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A bstr a ct
ln もh e 丘ni 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 五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 sh‑r e点n em e nt of tria ngulatio n s iⅢt h is m et hod.
1 は じ め に
有限要 素解 析に おける メ ッシ ュ について, メモリ等 限り あ るコ ン ピ ュ ー タ資 源の有 効 利 用 や, よ り精 度の高い計 算 を行う た め.
一 様に細か く要 素 分 割を行 うので はな く, 与 えられた問題に適 合 させ る よう なメッシ ュの作 成, 例えば 物理量の変化 が激 しい部 分に節 点 を 集 中させ る よう なアダ プテ ィブ有 限要 素法の研 究 が盛ん に行われている. しか し,
物理 量分布の予測に よ るものや, 領 域の形 状にのみ適 合し たメ ッシ ュ分割 など, 解 析 者の経 験に 左右 さ れた り, 必ずし も 問題に適 合しない方 法が 主 に扱われて いる. 本 研 究で は,
有 限 要 素解の事 後誤 差 評 価の研 究
[
7]
を ふ ま え, Pois s o n 方程 式につい て V e rfiirth が 示 し た指 標
[
1]
を 用い ること に より事 後誤差評 価に よ るア ダプ ティブ有 限 要 素メッシ ュ の自 動 作 成, 及び メ ッシ ュ を 作 成 する際に用いたいくつかの要 素分 割 法の評 価を行 っ た.
2
モデ ル 問 題
o を R 2の連 結 有 界 多 角 形 領 域と し, その境 界をrとす る. 0 の開 部 分 集 合L J と その境 界7 :‑ ∂L J につい て通常の
Lebe sgu e 空
軌
Sobole v 空 間L2(
L J)
,L2(
7)
,H l(
L J)
を定 義し, ノ ル ムをそれぞれ
II
・Il
o,2 ;L J,‖
・l L
o,2; ↑,=
・Il
l,2;山とするI ' 東 京 大 学 大 学 院 医 学 系 研 究 科医 学 博士課 程 社 会 医 学 専 攻(医 療情報 経済学)
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 を持つ Pois s o n 方 程 式を考え る.
i一l iー!
.
o n r上).
o n rN .
た だ し, r ‑ IID U rN ,rD n rN ‑ 0 であり, rD はr に対 し て閉で, 正の長 さ を 持つと す る. こ こ で,f ∈ L2
(
o)
,9 ∈L2
(
rN)
を仮 定 する.空 間X を次の ように定 義 する.
x :‑
(
v ∈ H l(o) (
v ‑ o o n rD)
こ こで問 題
(
E)
に対 する弱 形 式は次の様に書け る・(
Ⅲ)
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 , ‑
/
nf vdL, +
/
r)vg ′Uds・
(
Ⅲ)
は一 意 解を持つ ・3 有 限 要 素 法
Th
(
h > 0)
を 0 の三角 形 分 割とする. こ こで Th の要 素 Ti は閉三角形 であ り, その数を NT とする. 分 割は次の 1)
か ら3
)
の条 件を満たす.N T
1
)
自は 自 エリ
Ti と分 割 され る・i=1
2
)
要 素の内 点 集 合は int Ti n int T j ‑ ¢(
i≠
j)
を満た して いる.
3
)
Tin Tj(
i≠
3)
' は空 集 合か, 共 通の 1 頂 点か, 共 通の 1 辺であ る.以下, 三角 形 分 割の族 Th は 正則と仮 定 する, 即ち, 佳 意の 要 素T ∈ Th の任 意の角0 に対し, 0 ≧0. > 0 を満たす 定 数β。 が存 在 する.
問題
(
Ⅲ)
につ いて, 三角 形 一 次要素を用いる有 限 要 素 近 似を行 う, 上記の定 義を前提 と し, 次の有 限 要 素 空 間を定 義 する.X h :‑
(
vh ∈ C(
良) I
vhI
T ∈P l(
T)
∀T ∈Th,vh ‑ O o n rD
)
こ の とき,
(
Ⅲ)
に対す る近 似 問 題は次のように表 され る.(
rib〈 )
F inda(
uu hh,∈Vh)
X h S‑u<chFt,hv hat> ∀vh ∈ Xh,近似問 題
(
Ⅲh)
の解は存 在し,一 意であ る
(【
8】
等)
・4 誤 差 の 指標
近似 問題
(
Ⅲh)
の有限 要素解 uh の事 後誤差 評 価を得る ため に は, 有 限 要 素 解の他, 与 え ら れ たデ ー タ
(
メ ッシ ュデ ータ や境 界 条 件 等
)
よ り計 算 され る 正確な 誤差の指 標が 必要 である.4.1
記 号
の定 義
T ∈Th に対して, E を T の 1 つの辺 とする・
l
T[
,hT,h Eを そ れ ぞ れ T の面積, T の最 長辺の長さ,E の長 さと す る. ま た, n E をE と直 交す る単位ベ クトルと し, 辺 E を横 切
る値の差
[
p]
E : ‑t
*
. や(
I + tn E)
‑t
王 忠
p(
I ‑ tn E)
∀
x ∈ E
を定 義 する. 各 要 素T ∈Th に対して, その要 素の辺の集 合を f
(
T)
と し, 三角 形 分割 Th の辺全 体の集 合fh ‥‑
U
f(
T)
T ∈7Th
を定 義 する. ま た,fh を次のように分割 する. fh ‑ fh,ロリfh,D Ufh,N
た だ し
Ch,D :‑
(
E ∈Chl
E ⊂ rD)
fh
,N :‑
(
E ∈fhl
E ⊂rN)
す なわち,fh
,D,fh
,N は そ れぞれ D irichlet境 界, Neu m an n
境 界上の辺の集 合である.
さ ら に, T ∈ Th と 辺 を 共有 する 三角 形要素全 体の領 域
L JT を次の ように定 義 する.
u T ‥エ
リ
T'E(T)nf(T') ≠¢
F i g・4.1 u T
4 .2
残 差 事 後誤 差 指 標
問題
(
E)
の条件の元 で, 次の 2 つの評価が成り 立つ・Pr o po sitio n 4.1.
u,uh を そ れ ぞ れ
(
rI)
,(
rib)
の解とする と き, 任 意の w ∈ X につい て次の評 価が成立する. た だ し, Co は 0 と rD にのみ依 存する 正定 数であ る.sup
(
< F, w > ‑ a(
uh, W))
w ∈X ,flu)ll,2 ; ∩‑1
≦
ll
u ‑ u hlf
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(
Ⅲ)
,(
r ib)
の解とする と, 次 式が成り 立つ,
∇
(
u ‑ u h)
・∇w d3: ‑ < F, w > ‑ a(
uh,W)
∀
w ∈ x .
こ こ で, Sch w ar z の不等式 よ り
∇v , ∇w dx <
̲
H
∇v[l
o,2;0 ・ll
∇wI I
o,2 ;0≦
‖州
1,2 ;0 ・ll
wlt
l,2;0 であ る か ら,w6 X .,,
S
IF
w ,2 ; n =1/
0∇v . ∇w dx ≦
ll
v‖
1,印が成り 立つ.
一 方Poin c a r6‑Friedrich の不等 式よ り
tl
vll f
,2;0 ≦‖
vL[ Z
,2 ;0 +"
∇vil
o,2;f2≦
(
1 + C&) Il
∇v[l
o,紳‑
(
1 ・ C&) /
o ∇v ・ ∇v dxであ り, こ こ で w = ‑
」 」
‑ と取る と=
vlr
l,2;n‖
vII
l,2;0 ≦(
1 . C&) /
o ∇v ・∇w dxを得る, v ∈X よ り w ∈ X ,
H
wll
l,2;n ‑ 1 なの で・
vI[
1,2・,0 ≦(
1 I Ca)
w。 x ,..
s
lだ
w .2 ; n = 1/
0∇v I∇w dx
が成り 立つ. ⊂コ
P r opo sitio n 4.2.
uh を
(
Ⅲh)
の解とする と き, 任 意の w ∈X につ い て次の評 価が成立する. た だ し, Cl は Th の最小角の大 きさの み に依 存 する 正定 数である.
< F,w > ‑ a
(
uh, W)
≦Clll
wLl
l,2 ;〈
0去 伽 l' Z
・2;T +∑
hEIl
9 ‑ n E ・ ∇uh[[ Z
,2;EE ∈fh ,N
・
E E
S
,N hE.・ [
n E ・∇uh]
E・・ Z
,2;)
E1′2
Propositio n 4.1, 4.2 よ り次の評 価を得る・
ll
u ‑ uhII
l,2 ;0 ≦C(
2;
T T^hi .,
I.. Z
・2 ;T +∑
hE[l
9 ‑ nE ・ ∇uhfl 呂
,2 ;EE ∈Eh ,N
・
E E
;
,N hE・.[
n E ・∇uh,
E,・ Z
,2 ;)
E1′2
(
4・1)
ただし, C2 ‑ Cl
(
1 + C昌 )
.Ve rftirth は, 近 似 問題
(
Ⅲh)
に対 する 誤差の指 標と して,個々 の要 素T ∈Th に対し て残 差 事 後誤差 指 標りR,T を 次
の ように定 義した
【叶
(
1叩R,T := h
引 I
fT[I Z
,2・,T+
妄 ∑
hEIJ [
n E .∇uh]
El 侶
,2;EE ∈C(T)nth,f }
・
E 。 f
;
( nth,Nh E.,
gE ‑ n E ・ ∇uh.1 3
72 ;)
E 1′2た だ し
J
T :‑古 /
Tf
dx , gg ‥‑左 上
9dsこ の 他T は有 限 要 素 解uh, メ ッシ ュデ ー タ と問題
岬)
におい て与え ら れ たデ ー タ
f
, 9 に よ って各 要 素ご と に計 算 すること が できる・ こ こ で, qR,T の第1項は 三角 形 要 素丁 自身に固 有の値であ り, 第2 項は隣り合 う 要 素か らの寄 与,第3 項はNe u m a n n 境 界 条 件か らの寄 与であ る.
qR,T を用い て,
(
4・1)
式は次の(
4・2)
式のように表 すことが できる.
(
4.2)
式よ り, 有 限 要 素 解uh の H l‑) ル ム誤差はTIR,T に よっ てお さ え ら れ ること が わ か る.
〈 主 税
TII
u ‑ uhll
l,2;n ≦C2ヽT ∈Th
+
∑ 埠 ‖
f ‑ JT= 岩
,2 ;TT ∈ Th
+
∑
hEII
g ‑ gEll 呂
,2 ;EE ∈Ctt.N
(
4・2)
式を含め,77R,T の誤差の指標と して の正当性は, 吹の定理 で保 証 される.
T he o r e m 4.3.
(
Ve rfa rth[
1】 )
口 u, uh を そ れ ぞ れ
(
Ⅲ)
,(
Ⅲh)
の解とする とき, 全て の T ∈Th について, 次の評 価が成立する. た だ し, C,Q は Th の
最′ト角の大 き さのみ に依 存 する 正定数である.
Il
u ‑ uhI]
1,2;∩≦ e( S
T Th撮
r+
∑ 埠 ‖
f ‑ JT‖ 岩
,, ;TT ∈′れ.
+
∑
h Ell
9 ‑ 9E略
2 ;EE ∈fh.N
1/2
77R,T ≦ Q
"
u ‑ uh略
2 ;u T+
∑ 埠 ll
′ f ‑f
T,‖ 岩
,,;TI T/⊂w T・
E ∈E
;
( nth,NhE.l
9 ‑I. g
・2 ;〉
E1′2
。
R e m a rk 4.4 .
有 限 要 素 法で用いら れ る 三角 形 分 割につ いて, 極 端に角 度の大 きい角 を 持つ鈍 角三角 形 要 素 や, 極 端に短い辺 を持
つ鋭 角三角 形 要 素が存 在 すること は好まれ ない. こ のよう な三角 形 要 素が存 在 する 目安の 1 つ と し て, 三角 形 分 割に お け る最小角の大 きさ に注目すること ができる. T he orem 4,3 では, 最小角の大 き さのみ に依 存 する定 数を 用い て誤
差の指 標が 上 下 か ら押え られてい る. □
5 有 限 要 素 メ
ッシ
ュの 作 成
5.1
事 後 誤 差 評 価
あ る 三角 形 分 割Th に お け る
(
Ⅲh)
の近似 解u h を得た と き, 多くの問 題では厳 密 解を解 析 的に求め ること は難しい の で, 近似 解u h の誤差を直接 計 算 すること はでき ない. そこ で T he orem 4.3 を ふ ま え, 77R T を各 要 素について計 算 す ること に よっ て近似 解の H l‑ ノ ル ム誤差を 見積も ること を 考え る.
一 般に有限 要素 法では メッ シ ュを細か くする ほ ど 近 似 解が厳 密 解に近づくこと が保証されて いる. そこ で, 17R T の大きい要 素が 近似 解の H l‑/ ル ム誤差が大きい要 素
であ る と 見当をつ け, その要 素 付近の メ ッシ ュ を細か くす ること に よ り, 解に適 合し た有 限 要 素メ ッシ ュ を作 成 する
こと ができ, 近似 解の精 度を 上げること が できる.
5 .2
有 限 要 素
メ ッ シ ュ自 動 作 成
の流 れ
メッシ ュ自 動 作 成1 ステッ プの流 れ
1・ 初 期メ ッシ ュ 7
?
を構 成 する, k ト0.2・ 三角 形 分 割 Thk に お け る有 限 要 素 解 uh を得る. 3・ uh の, 各 要 素T ∈ Thk についての誤差の指 標qR,T を
計 算 する. 4・ り‥=
T m
E
顎
りR・T を計 算し,77R,T ≧K り
(
0 < K < 1) (
5・1)
を満たす 要 素を分 割要素と して取 り 上げる.
(
選 択 要 素と 呼 ぶこと に す る.)
51 選 択 要 素が決 定し た Thk に対して定め ら れ た要 素 分 割 法を 用い てメ ッシ ュ 作 成を行い, Thk + 1 を得る・
6.k ( k + 1. 7.go to2 .
初 期メッシュに対し てこ の ステップを繰り 返すこと に よ り, 解に適 合し た有 限 要 素メッシ ュを自動 的に作成して いくこ と ができる.
5 .3 ア
ダ プ
テ ィブ
メ ッシ ュ分 割 法
5.3.1 基 本とな る 分 割
1 つの三角 形 要 素に対 する基 本 的 な 分 割 を 定義 する.
1. r ed 分 割
3 辺の中 点を結ぶこと に よ り合同な4 つの三角 形に分 割 する.
2. bll l e 分 割
まず2 辺の中 点を結び, その内の 1 辺
(
例え ば, 長い 方)
の中 点か ら相 対 する頂 点 を 結ぶこと に よって 3 分 割 する.3, gr e e n 分割
1 辺
(
例 え ばm ark 辺 や最 長辺)
の中 点と, 相 対 する頂 点を結ぶこと に よっ て 2 分割 する.十
‑ 、÷ /‑ gr e e n丁
、 、̲
Fi g.5.1 基 本となる分 割
5.3.2 lla mgl n g n ode
三角 形 分 割 中のある 要素の頂 点が他の三角 形の辺 上 に あ る と き, こ の頂 点をh an gi ng n ode
(
nonco nfo r ming n ode)
と して定 義 する.
Fi g・512 h an gl ng node
5・3.3 r egula r 分割 法
選 択 要 素につ いて r ed 分 割を ほ どこすこと に よ り, メ ッ シ ュ作 成を行 う. 選択 要 素が4 分 割さ れ るので細 分 化ス テップ数が少ない反 面, hang ing n ode も 多 く発 生する た め, その処 理 が難しい. h ang ing node の処 理 に よっ て様々 な種 類が存 在 する が, 本 研 究で はred 分 割とgr e e n 分 割の み を 用い て bang ing node を 処 理する方 法
【
2】
を用いた. 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 の処理
(
1)
hang ing n od e が 2 個 以上ある要 素 をr ed 分 割 する(
新た に b a nging node が発生する 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)
の作 業が終了 し た乳
残っ た ha nging n ode が1個の要 素をgree n 分 割 する.
要 素 分割を1 ステップ進ま せ た例を次の F i g.5.3 に 示す.
Fi g.5.3 regular 分 割 法の要素 分 割 例
こ の方 法で は作 成さ れ る 三角 形 分 割の最小角の大 き さが 次 第に 小さくなっ て し まう可能 性がある. これ に対し, 最 小角の大き さを保 存し た regular 分 割 法 も考 案さ れて いる
【
1,5]
.5 .3.4 m a rked edge 分 割 法
個々の三角 形 要 素の属性と して 1 つ の辺 を その要 素の
m a rk 辺 と して定めてお き, 選択 要 素の m ark 辺 に対して
gr e e n 分 割 をほ どこすこと に よ り メッシ ュ作 成を行う
【
3,4]
.こ の方法の特徴は分 割に よ り 生成 する要素の形が判 断で き,
ど んなに メ ッシ ュ作成ス テップ を重ね ても三角 形 分 割の最 小角が保 存 され, いびつな 形の要 素ができない こと である. そ れ に対し, 細 分化ステ ップ数は多くなる.
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 素の m a rk 辺 と して, 元の親要素の m ark 辺以 外の 2 辺 を そ れ ぞ れ指 定する.
m a rked ed ge
Fi g・5.4 m arked edge 分 割 法の基 本 分 割
分 割の流れ
1. 選 択要 素の処 理
選 択 要 素につい て基 本 分 割を行 う.
2. ba ngin g n ode の処理
(
1)
個 数に関係 なく ha nging node がm ark 辺 以 外の辺 上 に あ る ときは, まず 基 本 分割を行っ て子要 素を作 り(
子要 素の 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 する 要 素が なく なる まで繰り 返 し行 う.(
2)
han由ng n ode が1 個でかつ m ark 辺 上 に あ る要 素 につ い て, 基 本 分 割を行 う.
ha nging n ode
Fi g・5・5 bang ing n ode の処 理