Concepts de base de la méthode des éléments finis

La méthode des éléments finis offre à son utilisateur un formalisme mathématique permettant l’obtention d’une forme discrète ; et par conséquent la génération d’algorithme de calcul afin d’approximer les solutions des équations différentielles. Cette tâche peut être accomplie convenablement par un ordinateur [27].

Les origines mathématiques de la méthode des éléments finis reviennent au dernier siècle. Les méthodes d’approximation de la solution des équations différentielles utilisant les fonctions tests sont plus anciennes. La méthode de Rayleigh-Ritz à titre d’exemple utilise les fonctions tests (fonction d’interpolation) afin d’approximer les solutions des équations différentielles. L’inconvénient de cette méthode par apport à la méthode des éléments finis et que les fonctions tests doivent être appliquées sur tout le domaine de calcul. C’est quand Courant [28]

Page 22 a introduit le concept de fonction continue par partie en sous-domaine que la méthode des éléments finis a eu son réel départ.

Le terme des éléments finis a été la première fois employé pour l’analyse des structures. La méthode a été introduite par Turner et al.[29] pour l’étude de la rigidité et de la flexibilité des structures. Pratiquement dix Années plus tard, les chercheurs ont commencé à utiliser la méthode des éléments finis pour la résolution des équations gouvernant les problèmes des milieux continus. Cependant, ce n’est qu’à la fin du 20ème

siècle que cette méthode a gagné sa popularité dans la résolution des problèmes des écoulements des fluides.

La discrétisation des problèmes continus a été abordée de manière différente par les mathématiciens et les ingénieurs. Les mathématiciens ont développé des techniques applicables directement aux équations différentielles gouvernant le problème en question. Comme la méthode des différences finies, la méthode des résidus pondérés, les méthodes d’approximation des extrémums des fonctionnelles, etc. les ingénieurs d’un autre coté, ont approché les problèmes de manière plus intuitive par la création d’une analogie entre les éléments réellement discrets et des parties finis d’un milieu continu. Il a été démontré que des résultats de précisions satisfaisantes sont obtenus par le remplacement des petites portions du milieu continu par un certain arrangement de simples barres élastiques [30].

Durant des années, une méthodologie standard pour l’analyse des systèmes discrets a été développée. A titre d’exemple, en élasticité, pour l’analyse des structures discrètes, on calcule en premier lieu la relation entre le chargement extérieur et les déplacements pour chaque élément de la structure. Après, on procède à l’assemblage de la totalité des éléments en s’appuyant sur le principe de l’équilibre local à chaque nœud. Finalement et après l’introduction des conditions aux limites, la résolution du système d’équations résultant conduit aux déplacements aux nœuds du système étudié en sa totalité.

En ce qui concerne la procédure de résolution d’un problème de milieu continu par éléments finis, cela se résume comme suit :

 Le milieu continu est divisé par des lignes ou des surfaces imaginaires à un nombre fini d’éléments.

 Les éléments sont considérés comme interconnectés à un nombre discret de points que l’on nomme les nœuds situés sur leurs frontières et occasionnellement à l’intérieur des éléments.

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 Un ensemble de fonctions est choisi afin de définir de façon unique l’évolution du phénomène étudié à l’intérieur de chaque élément et sur ses frontières en fonction de ses paramètres nodales.

 La résolution du système complet considéré comme un assemblage de ses éléments suit précisément les mêmes étapes que celles suivies pour la résolution des systèmes discrets.

Figure 2.1: -a- Domaine matériel en deux dimensions. -b- Un élément quadrilatère dans un domaine matériel. -c- Maillage partiel du domaine matériel.

Soit la figure 2.1.a représentant un domaine matériel avec des propriétés physiques connues. On considère que le domaine est en deux dimensions et qu’un seul champ de variable est à déterminer sachant que des équations différentielles connues doivent être vérifiées à chaque point . Sur la figure 2.1.b est représenté un élément quadrilatère entourant un sous-domaine de taille finie de l’ensemble du domaine d’intérêt. Les sommets de l’élément de forme quadrilatère sont numérotés pour indiquer que ces points sont des nœuds. Le nœud est un point spécifique où la valeur du champ de variable doit être calculée explicitement. Les nœuds extérieurs sont situés sur les frontières de l’élément et peuvent être utilisés pour connecter un élément à un élément voisin. Les valeurs du champ de variable aux nœuds sont utilisées afin d’approximer les valeurs du champ à d’autres points non nodaux par interpolation. Pour l’élément quadrilatère, le champ de variable à tout point de l’élément est approximé par la relation suivante :

1 2 3 4 P(x,y) -a- -b- -c-

Page 24 Sont les fonctions d’interpolation ou bien dite aussi fonctions de forme. Dans la méthode des éléments finis, les valeurs nodales du champ de variable sont traitées comme étant des constantes inconnues qui sont à déterminer. Les fonctions d’interpolation sont souvent de forme polynomiale des variables indépendantes, devant satisfaire certaines conditions. Il est important de noter que les fonctions d’interpolation sont prédéterminées. Ces dernières décrivent la variation du champ de variable à l’intérieur de l’élément.

Comme le représente la figure 2.1.c, chaque élément est connecté au niveau de ses nœuds extérieurs à d’autres éléments. La méthode des éléments finis est formulée telle qu’à chaque connexion nodale, les valeurs du champ de variable sont les mêmes pour chaque élément connecté au nœud. Donc la continuité du champ de variable est assurée aux nœuds. De ce fait, la méthode des éléments finis assure la continuité entre les éléments ce qui évite l’obtention de résultats physiquement inacceptables. Par contre, la continuité du gradient du champ de variable n’est généralement pas vérifiée entre les éléments. Cependant, la magnitude de cette discontinuité des dérivées peut être utilisée afin d’augmenter la précision et d’assurer la stabilité de la méthode quand on augmente le nombre des éléments du maillage.