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结构力学数值方法:边界元法(BEM):边界元法的基本原理
与步骤
1边界元法(BEM)简介
1.1BEM的历史与发展
边界元法(BoundaryElementMethod,BEM)起源于20世纪60年代,最初
是作为解决弹性力学问题的一种数值方法被提出的。它的发展与有限元法
(FiniteElementMethod,FEM)并行,但BEM在处理无限域、半无限域以及边
界条件复杂的问题上展现出了独特的优势。随着计算机技术的进步,BEM在工
程分析、物理模拟等领域得到了广泛应用,特别是在声学、电磁学、流体力学
和热传导等领域的边界问题上,BEM因其高效性和准确性而备受青睐。
1.2BEM的基本概念与优势
1.2.1基本概念
边界元法是一种基于边界积分方程(BoundaryIntegralEquation,BIE)的数
值解法。与有限元法不同,BEM仅在问题的边界上进行离散化,而不是在整个
域内。这种方法的核心在于将偏微分方程转化为边界上的积分方程,从而将三
维问题降维为二维,二维问题降维为一维,大大减少了计算量和内存需求。
1.2.2优势
1.降维优势:由于BEM仅在边界上进行计算,因此对于三维问题,
可以将其降维为二维,从而显著减少计算资源的需求。
2.无限域问题的处理:BEM在处理无限域或半无限域问题时,不需
要对无限域进行人为的截断,这避免了截断误差的引入。
3.边界条件的精确处理:BEM能够直接在边界上精确地施加各种边
界条件,这对于复杂边界条件的处理非常有利。
4.高精度:在处理某些特定问题时,BEM可以提供比FEM更高的精
度,尤其是在边界附近的解。
5.后处理简单:由于BEM的解主要集中在边界上,因此后处理(如
应力、位移的计算)相对简单,不需要在整个域内进行插值。
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1.3BEM的实现步骤
1.3.1步骤1:建立边界积分方程
边界积分方程是BEM的基础。对于弹性力学问题,边界积分方程可以表示
为:
= −′
其中,是位移,和分别是弹性力学中的应力和位移格林
函数,是边界上的应力,是问题的边界。
1.3.2步骤2:边界离散化
将边界离散化为一系列边界单元,每个单元上定义节点和单元间的连接关
系。例如,对于二维问题,边界可以被离散化为一系列线段,每个线段两端的
节点分别代表边界上的不同位置。
1.3.3步骤3:数值积分
在每个边界单元上,对边界积分方程进行数值积分,通常采用高斯积分法。
例如,对于一个简单的线性边界单元,可以使用两点高斯积分:
importnumpyasnp
defgaussian_integration(f,a,b):
#高斯积分点和权重
x1,x2=-1/np.sqrt(3),1/np.sqrt(3)
w1,w2=1,1
#映射到实际边界单元
x1_real=(1-x1)*a+(1+x1)*b
x2_real=(1-x2)*a+(1+x2)*b
#计算积分
integral=(b-a)/2*(w1*f(x1_real)+w2*f(x2_real))
returnintegral
1.3.4步骤4:建立线性方程组
通过边界离散化和数值积分,可以将边界积分方程转化为一组线性方程。
这些方程通常表示为矩阵形式,其中包含了格林函数、边界条件和未知的边界
量。
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1.3.5步骤5:求解线性方程组
使用数值线性代数方法(如高斯消元法、共轭梯度法等)求解线性方程组,
得到边界上的未知量。
1.3.6步骤6:后处理
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