The Finite Element Method (FEM) is the gold standard for spatial discretization in numerical simulations for a wide spectrum of real-world engineering problems. Prototypical areas of interest include linear heat transfer and linear structural dynamics problems modeled with partial differential equations (PDEs). While different algorithms for direct integration of the equations of motion exist, exploring all feasible behaviors for varying loads, initial states and fluxes in models with large numbers of degrees of freedom remains a challenging task. In this article we propose a novel approach, based in set propagation methods and motivated by recent advances in the field of Reachability Analysis. Assuming a set of initial states and inputs, the proposed method consists in the construction of a union of sets (flowpipe) that enclose the infinite number of solutions of the spatially discretized PDE. We present the numerical results obtained in five examples to illustrate the capabilities of our approach, and compare its performance against reference numerical integration methods. We conclude that, for problems with single known initial conditions, the proposed method is accurate. For problems with uncertain initial conditions included in sets, the proposed method can compute all the solutions of the system more efficiently than numerical integration methods.


翻译:极致元素法(FEM)是数字模拟中空间分解的黄金标准,用于处理一系列广泛的现实世界工程问题。典型的兴趣领域包括线性热传输和以部分差异方程式(PDEs)为模型的线性结构动态问题。虽然存在直接整合运动方程式的不同算法,但探索不同负荷、初始状态和大量自由度模型通量的所有可行行为仍是一项具有挑战性的任务。在本篇文章中,我们提出了一个基于设定传播方法并受可及性分析领域最近进展的驱动的新办法。假设一套初步状态和投入,拟议方法包括构建一组集成(流式),其中包含空间分解式PDE的无限数量的解决办法。我们用五个例子来介绍我们的方法的能力,并将其性能与参考数字集成方法进行比较。我们的结论是,对于单一已知初始条件的问题,拟议方法是准确的。对于各种初始条件尚不确定的问题,拟议方法可以比数字集成的方法更高效地对系统的所有解决办法进行配置。

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