境界要素法と有限要素法の違いを徹底解説！初心者でもわかる特徴と使い分け

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境界要素法と有限要素法とは？基本的な違いを理解しよう

エンジニアリングや物理学でよく使われる数値解析の方法に境界要素法（BEM）と有限要素法（FEM）があります。

どちらも複雑な問題をコンピュータで解決するための技術ですが、使い方や特徴が異なります。
まずは2つの手法の基本から見ていきましょう。

境界要素法は、問題の対象となる領域の周りの境界だけを細かく分割し、計算を行う方法です。
例えば、ある部分の形や境界条件が大事なときに効果的です。
一方で有限要素法は、対象物の中身全体を小さな要素（メッシュ）に分割して計算します。
この方法は複雑な構造や体積を持つものの問題を解くのに向いています。

このように、境界要素法は境界だけ、有限要素法は内部も含めて細かく計算する違いがあります。
それぞれの特徴を知ることで、どんな場面でどちらを使うべきかがわかってきます。

境界要素法と有限要素法のメリット・デメリットを詳しく比較

境界要素法と有限要素法には、それぞれ一長一短のメリットとデメリットがあります。

境界要素法のメリットは、計算する範囲が境界だけなのでメッシュ数が少なく、計算コストが限定的です。
複雑な内部のデータが不要な場合に有利です。
ただし、内部に非線形や異種物質が混ざる問題には対応が難しいのがデメリットです。

有限要素法のメリットは、体積全体を扱えるため形状が複雑で変化する部分も詳細に解析できること。
非線形問題や複数の物理現象を同時に扱う際にも使いやすいです。
デメリットは、メッシュが膨大になり計算時間やメモリが多く必要になることです。

下の表は特徴の比較です。

able border="1">特徴境界要素法（BEM）有限要素法（FEM）対象領域境界のみ領域全体計算量少なめ多め適用可能な問題線形問題向き非線形問題や複雑問題も可能メッシュの作成境界だけでよい全体を細かく分割用途音響や電気の場合によく使われる構造解析や流体解析など多用途

どちらを使うべき？境界要素法と有限要素法の使い分けポイント

実際の現場でどちらを選ぶべきかは問題の内容に依ります。

例えば、音の伝わり方や電気の分布を調べる時は境界要素法が適しています。
これは境界上の性質だけで結果が十分得られるためです。

一方で、建物の強度解析や熱の流れなど内部の状態を細かく解析したい時には有限要素法が効果的です。
また、複雑な形状や材料の変化、非線形の働きがある場合も有限要素法が好まれます。

まとめると、問題の中身が境界に集約されているかどうか、解析したい現象が線形か非線形かで選び分けるのがポイントです。
また、コンピュータの性能や計算時間の制約も考慮すると良いでしょう。

境界要素法と有限要素法はそれぞれ得意な分野があるので、状況に応じてうまく使い分けることが大切です。

ピックアップ解説

ここで少し深く掘り下げたいのは「境界要素法の計算のしかた」です。
境界要素法では、物体の表面だけに注目して計算を行います。
例えば音の反射や電気の流れといった問題では、その境界の条件が結果に大きく影響します。
内部を細かくメッシュに分ける必要がないので、計算が比較的速いのが特徴です。

ただし、物体の中で複雑な変化が起こる場合はこの方法は使いにくくなります。
だから、境界だけで物事を考えられる問題に限って非常に便利なのです。
この性質があるため、音響や電磁場のような問題に活用されることが多いんですよ。

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