本書分為傳統(tǒng)邊界元法的基本內(nèi)容和近年發(fā)展的快速多極邊界元法等新進展兩大部分。前七章包含了傳統(tǒng)邊界元法的基本內(nèi)容,第八、第九章介紹快速多極邊界元法和大規(guī)?焖俣鄻O邊界元并行算法,第十二章介紹與邊界積分方程相關(guān)的邊界型無網(wǎng)格法。另外在第十、第十一兩章簡要介紹國際上邊界元法比較成功的應用,包括在機械、結(jié)構(gòu)工程中的應用,和聲場、電磁場分析設計中的應用。
邊界元法是在有限元法之后發(fā)展起來的一種精確高效的工程數(shù)值分析方法。我國開展工程中邊界元法研究的創(chuàng)導者是杜慶華先生,本人有幸于三十年前作為他的主要合作者開始有關(guān)研究,并和研究生一起經(jīng)歷了邊界元法在我國的三十年發(fā)展歷程。今年是已故杜先生的90歲誕辰,謹以此書表達對先生的敬仰和懷念之情。
邊界元法具有深厚的數(shù)學基礎(chǔ),它作為一種重要的工程數(shù)值方法是在有限元法的啟發(fā)之下發(fā)展起來的,同時也始終處于和有限元等其他數(shù)值方法的競爭之中。傳統(tǒng)的邊界元法由于求解方程組的系數(shù)矩陣是非對稱滿陣,解題規(guī)模受到很大限制,難以處理大規(guī)模的工程實際問題。快速多極算法的引入已經(jīng)使這一狀況有了改觀,快速多極邊界元法已能求解一些其他數(shù)值方法難以處理的復雜的大規(guī)模工程分析問題。從事工程中邊界元法研究的同行應把研究重點放在有限元等其他數(shù)值方法難以處理的問題,為工程設計分析提供有力的工具。
三十年來堅持開展邊界元法研究,從常規(guī)方法到快速多極邊界元法,得益于研究組不斷有博士生加入這方面的研究。邊界元法的進一步發(fā)展也把希望寄托在中青年學者和研究生身上。作為教科書,除了講清基本概念之外,必須列出問題的數(shù)學描述,因此書中有大量的數(shù)學公式。其中除研究組取得的成果之外,也有一部分引自相關(guān)的文獻。對于有大量公式的文獻,印刷錯誤也是難免,作者在引用時對于印刷錯誤已經(jīng)注意做了更正。盡管如此,作者還是希望讀者在閱讀本書或相關(guān)文獻時,對于關(guān)鍵的數(shù)學公式要學會推導,親自核對,特別是在編程計算時尤其必要。學會對主要公式的推導,應該是讀者需要掌握的基本功。
本書是本人和王海濤博士合作編著的,第八、第九兩章是由他執(zhí)筆,附錄中的c++程序和三維位勢問題的常規(guī)與快速多極邊界元程序也都是由他提供的。書中還介紹了我在校期間從事相關(guān)研究的其他學生的工作,書中列出了他們和我聯(lián)名發(fā)表的文章,在此對他們的工作一起表示感謝!
引言
1 邊界元法的數(shù)學基礎(chǔ)
2 邊界元法的發(fā)展歷史
3 我國邊界元法研究概況
4 邊界元法研究的最新進展
5 邊界元法的應用舉例
6 邊界元法的優(yōu)缺點
7 本書的內(nèi)容安排
參考文獻
第一章 位勢問題的邊界積分方程與邊界元法
1 調(diào)和方程的基本定解問題
2 Green等式、基本解及解的積分表達式
3 邊界積分方程的建立
4 對于一般問題的推廣
5 位勢問題的邊界元法簡介
習題
附錄1指標符號與笛卡兒張量簡介
A1.1 指標符號
A1.2 矢量
A1.3 張量和張量場
參考文獻
第二章 線彈性靜力學問題的邊界積分方程
1 線彈性靜力學定解問題的微分提法
2 Betti定理、Kelvin解及Somigliana等式
3 線彈性靜力學的邊界積分方程
4 建立基本解的一種一般方法
習題
參考文獻
第三章 幾種常見的直接法和間接法邊界積分方程
1 核函數(shù)的擴充
2 回轉(zhuǎn)體問題
2.1 變截面軸的扭轉(zhuǎn)問題
2.2 軸對稱問題
2.3 回轉(zhuǎn)體的彎曲問題
3 彈性薄板彎曲問題
3.1 彈性薄板彎曲問題的微分提法
3.2 彈性薄板彎曲問題的基本邊界積分方程
3.3 彈性薄板彎曲問題的補充邊界積分方程
4 彈性裂紋問題的對偶邊界積分方程
4.1 位移邊界積分方程
4.2 面力邊界積分方程
5 半空間、半平面問題
5.1 半空間問題
5.2 半平面問題
6 位勢問題的間接法邊界積分方程
7 虛應力法建立的邊界積分方程
8 位移間斷法建立的邊界積分方程
9 域外回線虛載荷法建立的回線積分方程
10 域外奇點法建立的邊界積分方程
11 邊界積分方程的正則化和基本解的恒等式
習題
參考文獻
第四章 二維問題的邊界元數(shù)值方法與程序?qū)崿F(xiàn)
1 邊界的離散化
1.1 二維域邊界線的幾何描述及單元自動劃分
1.2 二維域的邊界線元單元描述
2 邊界積分方程的離散化
2.1 由加權(quán)余量法配點格式將邊界積分方程化為線性代數(shù)方程組
2.2 核函數(shù)與形函數(shù)乘積的等精度Gauss積分
2.3 奇異積分的處理
2.3.1 弱奇異積分的處理
2.3.2 Cauchy主值積分和超奇異積分的簡單特解法
2.3.3 Cauchy主值積分和超奇異積分的有限部分積分的一般性處理方法
3 方程的求解以及邊界應力、內(nèi)點位移和應力的確定
3.1 離散化的邊界積分方程的求解
3.2 邊界應力的確定
3.3 內(nèi)點位移和應力的確定
4 邊界元法計算誤差的一種直接估計
4.1 內(nèi)點變量趨于邊界點極限的確定
4.2 邊界元解誤差的一種直接估計
4.3 基于邊界元解誤差直接估計的邊界元自適應計算簡例
5 邊界元子域法
5.1 邊界元鏈狀子域法
5.2 邊界元重復相似子域法
5.3 邊界元行列子域法
習題
附錄4 彈性力學平面問題邊界元分析軟件部分源程序
A4.1 FORTRAN程序BIEBE2說明
A4.2 C++源程序
參考文獻
第五章 三維問題的邊界元數(shù)值方法
1 邊界的離散化
1.1 用I-J映射法自動劃分單元
1.2 三維域的邊界面元單元描述
2 邊界積分方程的離散化
2.1 核函數(shù)與形函數(shù)乘積的等精度Gauss積分
2.2 弱奇異積分的處理
2.3 奇異積分和近奇異積分的簡單特解法
2.4 Cauchy主值積分的直接計算法
2.5 超奇異積分的有限部分積分
3 線性代數(shù)方程組的求解
4 裂紋問題對偶邊界元法
4.1 裂紋面的分元離散
4.2 確定應力強度因子的方法
5 邊界元一有限元耦合方法
習題
附錄5 三維位勢問題邊界元分析軟件使用說明
A5.1 FMBEM-LAPLACE3D簡介
A5.2 使用方法
A5.2.1 前處理
A5.2.2 運行程序
A5.2.3 結(jié)果信息
A5.3 前處理轉(zhuǎn)換軟件PAq、一TRANSI。ATOR使用說明
A5.3.1 生成MSC.PATRAN前處理文件
A5.3.2 生成BEM_INP.DAq、前處理文件
參考文獻
第六章 與時間有關(guān)問題的邊界元法
1 瞬態(tài)熱傳導問題
1.1 Laplace變換法
1.2 邊界元一時間差分耦合法
1.3 與時間有關(guān)的基本解
2 彈性動力學問題
2.1 基于與時間有關(guān)基本解的邊界積分方程與邊界元法
2.1.1 與時間有關(guān)的基本解
2.1.2 時間一空間域的邊界積分方程
2.1.3 時間一空間域的彈性動力學邊界元法
2.2 Laplace變換法
2.2.1 在Laplace變換空間的邊界積分方程
2.2.2 邊界積分方程的離散
2.2.3 Laplace反演方法
2.3 雙重互易法
習題
附錄6 彈性動力學邊界元法補充公式
A6.1 彈性動力學二維問題的時間一空間域基本解
A6.2 彈性動力學三維問題時間一空間域基本解的時間積分
A6.3 彈性動力學三維問題的一種新的時空域邊界積分方程
A6.4 彈性動力學三維問題的一種新的高效的時空域邊界元法
參考文獻
邊界積分方程一邊界元法(Boundary Integral Equation-Boundary ElementMethod)簡稱邊界元法(BEM),是用以求解工程與科學問題的常用數(shù)值分析方法之一。它以邊界積分方程為數(shù)學基礎(chǔ),同時采用了與有限元法相似的劃分單元離散技術(shù),通過將邊界離散為邊界元,將邊界積分方程離散為代數(shù)方程組,再用數(shù)值方法求解代數(shù)方程組,從而得到原問題邊界積分方程的解。
邊界元法具有邊界積分方程的深厚的數(shù)學根基,又是在計算機飛速發(fā)展的前提下,在有限元法之后發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值分析方法。它不僅可用于分析彈性力學等固體力學問題,同時也應用于流體力學、熱傳導、聲場,以及電磁場等其他物理學研究領(lǐng)域。
當人們研究一類工程或科學問題時,首先要建立它的物理模型,對于同一物理模型往往還能建立多種互相等價的數(shù)學模型,而針對每一種數(shù)學模型就能發(fā)展相應的一種或多種數(shù)值分析方法。
例如對于描述固體、機械與結(jié)構(gòu)等承受荷載發(fā)生小變形彈性變形規(guī)律的彈性力學的物理模型,就有三種互相等價的數(shù)學模型,或稱三種提法:微分提法建立了偏微分方程邊值問題,變分提法建立了泛函極值問題,而積分提法建立了邊界積分方程。差分法是針對微分提法的數(shù)值方法,有限元法是針對泛函極值問題的數(shù)值方法,而邊界元法是求解邊界積分方程的數(shù)值方法。
基于互相等價的各種數(shù)學模型的不同數(shù)值分析方法往往各有千秋,不僅互相借鑒,而且在計算精度與計算效率等方面互相競爭,不斷發(fā)展出更加精確高效的計算方法。這就給應用者提供了選擇解決各類問題更好手段的可能。在固體與結(jié)構(gòu)力學分析方面通常占主導地位的是有限元法,而在流體力學分析方面差分法則占有主導地位,但對某些問題其他方法可能更加精確高效。
邊界元法的最大特點是降低了求解問題的維數(shù),將二維問題化為其邊界線上的一維問題,將三維問題化為邊界面上的二維問題。它只以邊界變量為基本變量,域內(nèi)未知量可以在需要時根據(jù)邊界變量求出。
這種方法通常具有較高的精度,而且在一些情況下比有限元法更為有效。