Analysis of the h-Adaptive Finite Element Method in Static Problems of Cylindrical Shells: II. Piecewise Linear Approximations and an A Posteriori Error Estimator
DOI:
https://doi.org/10.15407/fmmit2026.42.035Keywords:
метод скінченних елементівAbstract
In this paper, we extend the first part of our study, devoted to the analysis of the well-posedness of the axisymmetric variational formulation of the static boundary value problem for a Timoshenko cylindrical shell and to the identification of criteria for its singular perturbation. The present contribution focuses on the development of a finite element algorithm for computing piecewise linear approximations of the generalized displacement vector of the shell. To avoid computationally expensive numerical integration procedures, we derive explicit algebraic expressions for the contributions of individual finite elements to the resulting block tridiagonal system of linear algebraic equations associated with the finite element method (FEM). This representation significantly simplifies the implementation while preserving the accuracy of the method. Furthermore, an elementwise defined a posteriori error estimator (APEE) is proposed for the constructed FEM approximations. The corresponding error indicators are based on quadratic shape functions with coefficients characterizing the approximation residuals evaluated at the centers of finite elements. These coefficients are proportional to the square of the element length and include factors that emulate the values of the second derivatives of the displacement components at the element centroid. The remainder of the paper is devoted to numerical experiments for a fully clamped cylindrical shell exhibiting pronounced boundary layers in the vicinity of its ends. A detailed convergence analysis of the FEM approximations on uniformly refined meshes, performed in equivalent norms of the space of admissible displacements, demonstrates the reliability and efficiency of the proposed a posteriori error estimator, as well as its ability to reproduce the true FEM errors with high accuracy
References
Шинкаренко Г., Малашняк П. Аналіз h-адаптивного методу скінченних елементів в задачі статики циліндричних оболонок: І. Коректність осесиметричного варіаційного формулювання // Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології. 2025, вип. 40: 27-36.
Бернакевич І.Є,. Вагін П.П., Шинкаренко Г.А. Математична модель акустичної взаємодії оболонок з рідиною. ІІ. Проекційно-сіткові апроксимації та їх збіжність. Мат. методи та фіз.-мех. поля. 2004; 47(3): 37-44.
Вагін П.П., Іванова Н.В., Шинкаренко Г.А. Постановка, розв’язуваність та апроксимація варіаційних задач статики зсувнихоболонок. Мат. методи та фіз.-мех. поля. 1999; 42(2): 53-61.
Григоренко Я.М., Савула Я.Г, Муха И.С. Линейные и нелинейные задачи упругого деформирования оболочек сложной формы и методы их численного решения. Приклад. механика. 2000; 36(8): 3–27.
Савула Я.Г., Шинкаренко Г.А., Вовк В.Н. Некоторые приложения метода конечных элементов. Львов: Изд-воЛьвов. ун-та; 1981.
Савула Я.Г., Флейшман Н.П. Расчет и оптимизация оболочек с резными срединными поверхностями Львов: Вищашкола; 1989.
Трушевський В.М., Шинкаренко Г.А., Щербина Н.М. Метод скінченних елементів і штучні нейронні мережі. Теоретичні аспекти і застосування. Львів, Вид. центр ЛНУ ім. ІванаФранка, 2014 – 396 с.
M. Radwańska, A. Stankiewicz, A. Wosatko, J. Pamin. Plate and Shell Structures. Selected Analytical and Finite Element Solutions. John Wiley & Sons, 2017.
Babuška I., Rheinboldt W. Error estimates for adaptive finite element computations // SIAM J. Numer. Analysis, 1978, 15: 736–754.
Шинкаренко Г., Малашняк П. Аналіз h-адаптивних апроксимацій МСЕ в задачах статики циліндричних оболонок. 11-а Міжнар. наук. конф. Математичні проблеми механіки неоднорідних структур: Збірник наукових праць. Львів: ІППММ ім. Я. Підстригача НАНУ; 2024; 6: 41-42.
Ainsworth M., Oden J. T. A posteriori error estimation in finite element analysis. John Wiley & Sons, 2000.
Babuška I., and T. Strouboulis. The finite element method and its reliability. Oxford University Press, 2001.
Babuška I., Whiteman J.R., Strouboulis T. Finite Elements: An Introduction to the Method and Error Estimation. Oxford University Press, 2011. 316 p.
Verfürth R. A Review of A Posteriori Error Estimates and Adaptive Mesh-Refinement Techniques. Wiley-Teubner, 1996.
Zienkiewicz O.C., Taylor R.L, Zhu J. The finite element method: its basis and fundamentals (7th Edition). Oxford, UK: Elsevier, 2015.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 Георгій Шинкаренко, Павло Малашняк (Автор)

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.