NURBS-Enhanced Finite Element Method (NEFEM)

Abstract

Aquesta tesi proposa una millora del clàssic mètode dels elements finits (finite element method, FEM) per a un tractament eficient de dominis amb contorns corbs: el denominat NURBS-enhanced finite element method (NEFEM). Aquesta millora permet descriure de manera exacta la geometría mitjançant la seva representació del contorn CAD amb non-uniform rational B-splines (NURBS), mentre que la solució s'aproxima amb la interpolació polinòmica estàndard. Per tant, en la major part del domini, la interpolació i la integració numèrica són estàndard, retenint les propietats de convergència clàssiques del FEM i facilitant l'acoblament amb els elements interiors. Només es requereixen estratègies específiques per realitzar la interpolació i la integració numèrica en elements afectats per la descripció del contorn mitjançant NURBS.<br/><br/>La implementació i aplicació de NEFEM a problemes que requereixen una descripció acurada del contorn són, també, objectius prioritaris d'aquesta tesi. Per exemple, la solució numèrica de les equacions de Maxwell és molt sensible a la descripció geomètrica. Es presenta l'aplicació de NEFEM a problemes d'scattering d'ones electromagnètiques amb una formulació de Galerkin discontinu. S'investiga l'habilitat de NEFEM per obtenir solucions precises amb malles grolleres i aproximacions d'alt ordre, i s'exploren les possibilitats de les anomenades malles NEFEM, amb elements que contenen singularitats dintre d'una cara o aresta d'un element. Utilitzant NEFEM, la mida de la malla no està controlada per la complexitat de la geometria. Això implica una dràstica diferència en la mida dels elements i, per tant, suposa un gran estalvi tant des del punt de vista de requeriments de memòria com de cost computacional. Per tant, NEFEM és una eina poderosa per la simulació de problemes tridimensionals a gran escala amb geometries complexes. D'altra banda, la simulació de problemes d'scattering d'ones electromagnètiques requereix mecanismes per aconseguir una absorció eficient de les ones scattered. En aquesta tesi es discuteixen, optimitzen i comparen dues tècniques en el context de mètodes de Galerkin discontinu amb aproximacions d'alt ordre.<br/><br/>La resolució numèrica de les equacions d'Euler de la dinàmica de gasos és també molt sensible a la representació geomètrica. Quan es considera una formulació de Galerkin discontinu i elements isoparamètrics lineals, una producció espúria d'entropia pot evitar la convergència cap a la solució correcta. Amb NEFEM, l'acurada imposició de la condició de contorn en contorns impenetrables proporciona resultats precisos inclús amb una aproximació lineal de la solució. A més, la representació exacta del contorn permet una imposició adequada de les condicions de contorn amb malles grolleres i graus d'interpolació alts. Una propietat atractiva de la implementació proposada és que moltes de les rutines usuals en un codi d'elements finits poden ser aprofitades, per exemple rutines per realitzar el càlcul de les matrius elementals, assemblatge, etc. Només és necessari implementar noves rutines per calcular les quadratures numèriques en elements corbs i emmagatzemar el valor de les funciones de forma en els punts d'integració. S'han proposat vàries tècniques d'elements finits corbs a la literatura. En aquesta tesi, es compara NEFEM amb altres tècniques populars d'elements finits corbs (isoparamètics, cartesians i p-FEM), des de tres punts de vista diferents: aspectes teòrics, implementació i eficiència numèrica. En els exemples numèrics, NEFEM és, com a mínim, un ordre de magnitud més precís comparat amb altres tècniques. A més, per una precisió desitjada NEFEM és també més eficient: necessita un 50% dels graus de llibertat que fan servir els elements isoparamètrics o p-FEM per aconseguir la mateixa precisió. Per tant, l'ús de NEFEM és altament recomanable en presència de contorns corbs i/o quan el contorn té detalls geomètrics complexes.

This thesis proposes an improvement of the classical finite element method (FEM) for an efficient treatment of curved boundaries: the NURBSenhanced FEM (NEFEM). It is able to exactly represent the geometry by means of the usual CAD boundary representation with non-uniform rational Bsplines (NURBS), while the solution is approximated with a standard piecewise polynomial interpolation. Therefore, in the vast majority of the domain, interpolation and numerical integration are standard, preserving the classical finite element (FE) convergence properties, and allowing a seamless coupling with standard FEs on the domain interior. Specifically designed polynomial interpolation and numerical integration are designed only for those elements affected by the NURBS boundary representation.<br/><br/>The implementation and application of NEFEM to problems demanding an accurate boundary representation are also primary goals of this thesis. For instance, the numerical solution of Maxwell's equations is highly sensitive to geometry description. The application of NEFEM to electromagnetic scattering problems using a discontinuous Galerkin formulation is presented. The ability of NEFEM to compute an accurate solution with coarse meshes and high-order approximations is investigated, and the possibilities of NEFEM meshes, with elements containing edge or corner singularities, are explored. With NEFEM, the mesh size is no longer subsidiary to geometry complexity, and depends only on the accuracy requirements on the solution, whereas standard FEs require mesh refinement to properly capture the geometry. This implies a drastic difference in mesh size that results in drastic memory savings, and also important savings in computational cost. Thus, NEFEM is a powerful tool for large-scale scattering simulations with complex geometries in three dimensions. Another key issue in the numerical solution of electromagnetic scattering problems is using a mechanism to perform the absorption of outgoing waves. Two perfectly matched layers are discussed, optimized and compared in a high-order discontinuous Galerkin framework.<br/><br/>The numerical solution of Euler equations of gas dynamics is also very sensitive to geometry description. Using a discontinuous Galerkin formulation and linear isoparametric elements, a spurious entropy production may prevent convergence to the correct solution. With NEFEM, the exact imposition of the solid wall boundary condition provides accurate results even with a linear approximation of the solution. Furthermore, the exact boundary representation allows using coarse meshes, but ensuring the proper implementation of the solid wall boundary condition. An attractive feature of the proposed implementation is that the usual routines of a standard FE code can be directly used, namely routines for the computation of elemental matrices and vectors, assembly, etc. It is only necessary to implement new routines for the computation of numerical quadratures in curved elements and to store the value of shape functions at integration points. <br/><br/>Several curved FE techniques have been proposed in the literature. In this thesis, NEFEM is compared with some popular curved FE techniques (namely isoparametric FEs, cartesian FEs and p-FEM), from three different perspectives: theoretical aspects, implementation and performance. In every example shown, NEFEM is at least one order of magnitude more accurate compared to other techniques. Moreover, for a desired accuracy NEFEM is also computationally more efficient. In some examples, NEFEM needs only 50% of the number of degrees of freedom required by isoparametric FEs or p-FEM. Thus, the use of NEFEM is strongly recommended in the presence of curved boundaries and/or when the boundary of the domain has complex geometric details.