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边界元法

补充:0  浏览:5376  发布时间:2013-5-10
  简介
  边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方法 。 又称边界积分方程-边界元法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程,通过对边界分元插值离散,化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比,由于降低了问题的维数,而显著降低了自由度数,边界的离散也比区域的离散方便得多,可用较简单的单元准确地模拟边界形状,最终得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数 ,而具有解析与数值相结合的特点,通常具有较高的精度。特别是对于边界变量变化梯度较大的问题 ,如应力集中问题 ,或边界变量出现奇异性的裂纹问题,边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件,因而边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。边界元法的主要缺点是它的应用范围以存在相应微分算子的基本解为前提,对于非均匀介质等问题难以应用,故其适用范围远不如有限元法广泛,而且通常由它建立的求解代数方程组的系数阵是非对称满阵,对解题规模产生较大限制。对一般的非线性问题,由于在方程中会出现域内积分项,从而部分抵消了边界元法只要离散边界的优点。
  基础
  边界元法是基于控制微分方程的基本解来建立相应的边界积分方程,再结合边界的剖分而得到的离散算式。
  Jaswon和Symm于1963年用间接边界元法求解了位势问题;Rizzo[3]于1967年用直接边界元法求解了二维线弹性问题;Cruse[4]于1969年将此法推广到三维弹性力学问题。1978年,Brebbia用加权余量法推导出了边界积分方程,他指出加权余量法是最普遍的数值方法,如果以Kelvin解作为加权函数,从加权余量法中导出的将是边界积分方程——边界元法,从而初步形成了边界元法的理论体系,标志着边界元法进入系统性研究时期。
  发展经过近40年的研究和发展,边界元法已经成为一种精确高效的工程数值分析方法。在数学方面,不仅在一定程度上克服了由于积分奇异性造成的困难,同时又对收敛性、误差分析以及各种不同的边界元法形式进行了统一的数学分析,为边界元法的可行性和可靠性提供了理论基础。在方法与应用方面,现在,边界元法已应用到工程和科学的很多领域,对线性问题,边界元法的应用已经规范化;对非线性问题,其方法亦趋于成熟。在软件应用方面,边界元法应用软件已由原来的解决单一问题的计算程序向具有前后处理功能、可以解决多种问题的边界元法程序包发展。
  我国约在1978年开始进行边界元法的研究,目前,我国的学者在求解各种问题的边界元法的研究方面做了很多的工作,并且发展了相应的计算软件,有些已经应用于工程实际问题,并收到了良好的效果。

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