Oppervlakteelementen

Oppervlakteelementen zijn een categorie elementen in de eindige-elementenmethode die gedefinieerd zijn op een tweedimensionaal oppervlak in de driedimensionale ruimte. Ze worden gebruikt om dunne of platgebogen structuren te modelleren, waarbij de mechanische respons door de dikte wordt gemodelleerd met theories voor dunne structuren of membranen. Het oppervlak wordt verdeeld in knooppunten en elementen, meestal driehoekige of vierhoekige, waarbij de grootheden over het oppervlak worden geïnterpoleerd met vormfuncties in isoparametrische coördinaten. Veel voorkomende typen zijn membraan- en schelelementen; er bestaan verschillende varianten die al dan niet buiging meepakken.

Membranelementen dragen alleen in-plane belasting en geven geen buigrespons, terwijl schelelementen ook buiging kunnen modelleren afhankelijk van de toegepaste theorie (bijvoorbeeld Kirchhoff-Love of Reissner-Meniscus) en vaak extra rotatiedoFs per knoop of soortgelijke kinematische formuleringen vereisen. Door-thickness effecten kunnen worden gemodelleerd via thickness-integratie of aanvullende lagen, maar de element-gedefinieerde stijfheid is per definitie beperkt tot de afgesproken oppervlakte-dimensie.

Voordelen van oppervlakte-elementen zijn onder meer een lagere dimensionale complexiteit, minder degrees of freedom en efficiëntere berekeningen voor dunne structuren zoals carrosserieën, platen en membranen. Nadelen omvatten beperkingen bij het modelleren van door-de-dikte stijfheidsverdeling, afhankelijkheid van het gekozen schel- of membraanmodel en de kwaliteit van de mesh, vooral op sterk gekromde oppervlakken.

Zie ook: eindige-elementenmethode, shell-elementen, membraan-elementen, isogeometrische analyse, plaat- en scheeltheorie.