第8章 边界元法

边界元法发展综述刘娅君学号：11080922005 从工程实际中提出的力学问题，一般可归结为数学的定解问题。

但其中只有极少数简单情况可以求得解析解，而大多情况都必需借助于有效的数值方法来求解。

有限元法是目前工程中应用最广泛的数值方法，已有很多通用程序和专用程序在各个工程领域投人了实际应用。

然而，有限元法本身还存在一些缺点。

例如，在应力分析中对于应力集中区域必须划分很多的单元，从而增加了求解方程的阶数，计算费用也就随之增加；用位移型有限元法求解出的应力的精度低于位移的精度，对于一个比较复杂的问题必须划分很多单元，相应的数据输人量就很大，同时，在输出的大量信息中，又有许多并不是人们所需要的。

边界积分方程—边界元法在有限元法之后发展起来成为工程中广泛应用的一种有效的数值分析方法。

它的最大特点就是降低了问题的维数，只以边界未知量作为基本未知量，域内未知量可以只在需要时根据边界未知量求出。

在弹性问题中，由于边界元法的解精确满足域内的偏微分方程，因此它相对有限元法的解具有较高的精度。

同时在一些领域里，例如线弹性体的应力集中问题，应力有奇异性的弹性裂纹问题，考虑脆性材料中裂纹扩展的结构软化分析，局部进人塑性的弹塑性局部应力问题以及弹性接触问题…等，边界元法已被公认为比有限元法更为有效。

正是因为这些特点，使边界元法受到了力学界、应用数学界及许多工程领域的研究人员的广泛重视。

边界元与有限元相比有很多优点：首先，它能使问题的维数降低一维，如原为三维空间的可降为二维空间，原为二维空间的问题可降为一维。

其次，它只需将边界离散而不象有限元需将区域离散化，所划分的单元数目远小于有限元，这样它减少了方程组的方程个数和求解问题所需的数据，不但减少了准备工作，而且节约了计算时间。

第三，由于它是直接建立在问题控制微分方程和边界条件上的，不需要事先寻找任何泛函，不像以变分问题为基础的有限元法，如果泛函不存在就难于使用。

所以边界元法可以求解经典区域法无法求解的无限域类问题。

《边界元法》课程教学大纲课程名称：边界元法英文名称：boundary element method课程编码：51416018学时/学分：36/2课程性质：必修适用专业：工程力学先修课程：高等数学、偏微分方程、数值分析和有限元法等一、课程的目的与任务本课程是工程力学专业的必修课程，是学习相关后续课程的基础，一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元,用满足控制方程的函数去逼近边界条件。

所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少，数据准备简单等优点。

但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。

二、教学内容及基本要求第一章引言教学目的和要求：掌握边界元的基本概念；了解边界元法的分类和学习边界元法的基础条件。

教学重点和难点：重点掌握边界元法的基本解题思路。

难点怎么利用积分法解微分方程的基本解。

教学方法与手段：采用多媒体教学，边界元法的研究方法和学习方法与有限元法相比，具有自己的特点，即力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解的数值方法。

课时安排：1学时教学内容：第一节边界元法的数学基础第二节边界元法的发展历史第三节我国边界元法研究概况第四节边界元法研究的最新进展第五节边界元法的应用举例第六节边界元法的优缺点第七节本书的内容安排复习与作业要求：全面复习全章内容，作业要求独立、按时完成，平均每学时布置作业1～2题。

考核知识点：边界元法的基础条件、微分方程的定解问题、插值求解的数值方法。

第二章位势问题的边界积分方程与边界元法教学目的和要求：掌握位势问题中的拉普拉斯(Laplace)方程的解法，位势问题中的边界条件，了解珀松方程的基本概念。

要求学生能够利用微积分知识推导拉普拉斯方程的基本解，并将它应用于格林(Green)定理，得到拉普拉斯方程问题的积分方程和边界积分方程。

泰勒展开边界元法1. 引言泰勒展开边界元法（Taylor Expansion Boundary Element Method，TEBEM）是一种用于解决边界值问题的数值计算方法。

它结合了泰勒展开和边界元法两种技术，能够高效、精确地求解各种物理问题的边界条件。

本文将详细介绍泰勒展开边界元法的原理和应用，并探讨其优缺点以及未来发展方向。

2. 泰勒展开原理泰勒展开是一种将一个函数在某个点附近进行多项式逼近的方法。

对于一个在点x0处连续可导的函数f(x)，其在x0附近的泰勒展开式可以表示为：其中，f^(n)(x0)表示函数f(x)在点x0处的n阶导数。

利用泰勒展开，我们可以将一个复杂的函数逼近为多项式形式，从而简化计算和分析。

3. 边界元法原理边界元法是一种求解偏微分方程边值问题的数值计算方法。

它基于格林第二定理，将偏微分方程转化为积分形式，并利用物理量在边界上的边界条件进行求解。

边界元法的基本思想是将求解域分为内部区域和边界两部分，通过在边界上离散化物理量，并利用格林第二定理建立方程组。

通过求解这个方程组，可以得到内部区域的物理量分布。

4. 泰勒展开边界元法原理泰勒展开边界元法将泰勒展开和边界元法相结合，利用泰勒展开将内部区域的物理量在某个点附近进行多项式逼近，然后利用边界元法求解逼近后的方程。

具体而言，泰勒展开边界元法首先利用泰勒展开将内部区域的物理量在某个参考点附近进行多项式逼近。

然后，在该参考点附近进行网格划分，并在每个网格点上离散化物理量。

接下来，根据边界条件建立方程组，并利用格林第二定理和离散化后的物理量进行积分计算。

通过求解这个方程组，可以得到内部区域各点的物理量分布。

5. 泰勒展开边界元法应用泰勒展开边界元法在各个领域都有广泛的应用，如流体力学、电磁学、弹性力学等。

在流体力学中，泰勒展开边界元法可以用于求解空气动力学问题、水波传播问题等。

通过将流体的速度和压力进行多项式逼近，并利用边界条件建立方程组，可以得到流体内部各点的速度和压力分布。

第 章 弹性静力学问题的边界元法4.1引言1边界元法的特点解析与数值相结合的方法，具有较高的计算精度。

2弹性静力学的基本方程 0,=+i j ij f σ)(,,,i j j i ij k k ij u u u ++=µδλσ )(21,,i j j i ij u u +=εu ii Γu u on =t ij ij Γt n on=σ4.2弹性力学边界积分方程1弹性力学基本解－Kelvin 解设无限大弹性体内q 点处受沿j x 方向单位集中力q j δ的作用，弹性体内场点p的位移：))(()43[()1(161),(2*rx x x x r q p u qj p j q i p i ij ij −−+−−=δννπµ r ：p 、q 点间的距离；*ij u 的下标i 表示p 点位移方向，j 表示q 点力的作用方向。

点p 处任意截面上的力：})(]))((3)21[(])()()[21{()1(81),(22*rx x n r x x x x r x x n r x x n rq p t q kp k k q jp j q i pi ij qi p i j q j p j i ij −−−−+−+−−−−−−=δνννπ当pq ，Kelvin 解*ij u 和*ij t 分别具有一次和二次奇异性。

2贝蒂互等定理设弹性体在f i 和t i 作用下的位移场为u i ，在在f’i 和t’i 作用下的位移场为u’i ，则：∫∫∫∫′+′=′+′Ωi i Γi i Ωi i Γii Ωu f Γu t Ωu f Γu t d d d d即：第一组外力在第二组外力作用下所产生的位移场上所做的功等于第二组外力在第一组外力作用下所产生的位移场上所做的功。

3 Somigliana 积分恒等式视Kelvin 解为贝蒂互等定理中的第二组弹性力学解，则∫∫∫∫+=+Ωi i Γi ij Ωij i Γij i Ωu f Γu t Ωu f Γu t d d d d **** （1）*i f 为与Kelvin 解对应的体力，即仅q 点作用有单位集中力，q 点之外没有体力作用。

边界元方法简介早在1905年，Fredholm就对积分方程的分类作了研究，并首先将其应用于弹性力学问题.随后，许多人对积分方程的性质作了严格的数学探讨，但是到2 0世纪4 0年代末，积分方程求解边值问题的研究仍只能处理一些特殊的问题如第一边值问题。

在2 0世纪6 0年代，一些学者对积分方程尤其是奇异积分方程的理论作了更为深入的研究，从而为进一步应用边界元法开辟了道路。

后来，高速大型计算机的出现及其硬件的迅猛发展使离散求解积分方程成为可能，但当时由于有限元法的出现并迅速发展，加上其广泛的适应能力，使人们的注意力大部分集中在它的身上。

随着有限元法逐渐成熟，其缺点也显现出来，人们开始寻找一种能够弥补其不足的新方法，目光又转向了边界元法，并逐步将有限元法中发展起来的一些离散技巧运用于边界积分方程，从而使边界元法脱颖而出，成为工程分析中的一种新的有效工具。

虽然边界元方法的研究引起人们注意的时间并不长，但是它的理论基础即积分方程的研究却可以追溯到1 9世纪初，当时仅从理论上对各类问题推导出解的积分方程，并没有涉及到数值计算。

例如在1929年，Kellogg利用Fredholm积分方程解决了位势问题，Fredholm积分方程是由以单层位势和双层位势为代表的调和位势发展而来的，并且由它又进一步发展成为所谓的间接边界元方法。

2 0世纪5 0年代，前苏联的米赫林和穆什海里什维里的工作为积分方程在工程上的应用开辟了道路。

6 0年代初，积分方程作为数值计算方法开始应用于实际问题，并逐步发展成为各种边界元方法。

虽然各种边界元方法都有一个共同的出发点，但是它们也可以分成下列互不相同又彼此紧密联系的三大类:第一类为边界元方法的直接表达式。

在此类表达式中，积分方程内出现的未知元是真实的物理变量。

正因为如此比如弹性问题中，解这种积分方程就可直接得出系统边界上的全部张力和位移，而物体内部的张力和位移则可通过数值积分由边界值推算出来。

浅谈边界元法及ANSYS简介摘要本文先从边界元法的起源和发展及数学分析的角度对其作了简要的介绍，然后又结合国际上目前比较先进的边界元快速算法指明边界元的特点，并且列举了常见的几类边界元法；讨论了铸件锻造模拟技术与方法，举例说明数值模拟在大锻件中的最优解问题；最后又介绍了ANSYS软件的特点和使用方法，并列举了其在材料力学教学和研究中的一些应用。

关键词边界元法数值模拟 ANSYSAbstract This paper begins with the perspective of the origin and development and mathematical analysis of the boundary element method for its brief introduction, and then combined with the current advanced international fast algorithm about boundary element ,and cited the common types of boundary element method; discussed forging simulation techniques and methods of casting, numerical simulations illustrate the optimal solution of the problem in large forgings; finally describing the characteristics and use of ANSYS software, and cited its teaching and research in mechanics of materials in some applications.Key words boundary element method numerical simulations ANSYS1.边界元法1．1边界元法的起源与发展边界元法又称为边界积分方程法(Boundary Integral Equation Method),它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程,通过对边界上离散单元的插值计算,将边界积分方程化为线性代数方程组进行求解。

泰勒展开边界元法引言泰勒展开边界元法（Taylor expansion boundary element method）是一种数值计算方法，用于求解边界值问题。

它将边界元法和泰勒展开法相结合，通过对问题进行近似求解，得到边界上的物理量分布。

本文将详细介绍泰勒展开边界元法的原理、步骤以及应用领域。

原理泰勒展开边界元法的核心思想是将待求解的物理量在边界上进行泰勒展开，然后利用边界元法求解展开后的边界积分方程。

通过逐级逼近，可以得到边界上的物理量分布。

具体来说，我们假设待求解的物理量为U(x,y)，其中(x,y)为边界上的点。

根据泰勒展开的思想，我们可以将U(x,y)在某一点(x0,y0)处进行展开，展开式为：U(x,y) = U(x0,y0) + (x - x0)∂U/∂x + (y - y0)∂U/∂y + …其中，∂U/∂x和∂U/∂y分别为U(x,y)对x和y的偏导数。

展开式中的每一项都可以通过求解边界元法得到。

步骤泰勒展开边界元法的求解步骤如下：1.确定边界条件：根据具体问题，确定边界条件，包括边界上的物理量和边界上的边界条件。

2.离散化边界：将边界分割成若干个小段，每个小段上选择一个节点作为边界上的离散点。

3.泰勒展开：对每个离散点，利用泰勒展开的方法，将待求解的物理量展开成一系列项的和。

4.边界元法求解：将展开后的边界积分方程转化为线性方程组，利用边界元法求解得到每个离散点上的物理量。

5.迭代计算：根据边界上的物理量分布，更新边界上的离散点的物理量，然后重新进行边界元法求解，直到收敛。

应用领域泰勒展开边界元法在许多领域都有广泛的应用，包括电磁学、声学、弹性力学等。

下面以电磁学为例，介绍泰勒展开边界元法在该领域的应用。

在电磁学中，泰勒展开边界元法可以用于求解电磁场分布、电磁辐射、电磁散射等问题。

通过对边界上的电磁场进行泰勒展开，可以得到边界上的电磁场分布。

然后利用边界元法求解得到边界上的电磁场分布，从而得到整个区域内的电磁场分布。

《边界元法》课程教学大纲课程名称：边界元法英文名称：boundary element method课程编码：51416018学时/学分：36/2课程性质：必修适用专业：工程力学先修课程：高等数学、偏微分方程、数值分析和有限元法等一、课程的目的与任务本课程是工程力学专业的必修课程，是学习相关后续课程的基础，一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元,用满足控制方程的函数去逼近边界条件。

所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少，数据准备简单等优点。

但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。

二、教学内容及基本要求第一章引言教学目的和要求：掌握边界元的基本概念；了解边界元法的分类和学习边界元法的基础条件。

教学重点和难点：重点掌握边界元法的基本解题思路。

难点怎么利用积分法解微分方程的基本解。

教学方法与手段：采用多媒体教学，边界元法的研究方法和学习方法与有限元法相比，具有自己的特点，即力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解的数值方法。

课时安排：1学时教学内容：第一节边界元法的数学基础第二节边界元法的发展历史第三节我国边界元法研究概况第四节边界元法研究的最新进展第五节边界元法的应用举例第六节边界元法的优缺点第七节本书的内容安排复习与作业要求：全面复习全章内容，作业要求独立、按时完成，平均每学时布置作业1～2题。

考核知识点：边界元法的基础条件、微分方程的定解问题、插值求解的数值方法。

第二章位势问题的边界积分方程与边界元法教学目的和要求：掌握位势问题中的拉普拉斯(Laplace)方程的解法，位势问题中的边界条件，了解珀松方程的基本概念。

要求学生能够利用微积分知识推导拉普拉斯方程的基本解，并将它应用于格林(Green)定理，得到拉普拉斯方程问题的积分方程和边界积分方程。

bem 边界元法bem界元法（BoundaryElementMethod，BEM）是一种新型的计算机数值解法，它是一种非常有效的多面体分析方法，在很多应用领域中取得了良好的效果。

bem界元法是一种基于围绕某种实体的问题，以此实体的边界为基础来解决相关问题的方法。

它是一种结合偏微分方程和多面体分析技术，以实体边界形状为基础，以集中变量为基础，实现力学分析的一种数值方法。

bem特点主要包括以下几点：第一，它可以精确模拟实体内部的务学场效应，而不依赖于外插参数等方法；第二，它可以准确而又极其精确地模拟多孔体以及微孔体；第三，它可以有效地模拟实体力学结构非稳态变形；第四，它可以模拟实体与其他实体间的力学耦合以及力学运动的过程。

bem界元法的优点是它可以有效求解很多结构体运动问题，从而优化结构体的设计方案，其优势在于它可以大大简化数学计算的复杂性，以及准确模拟多面体形状特性，为实际的结构体物理分析提供坚实的支撑。

bem界元法在工业界的应用十分广泛，它可以用于流体力学分析，结构力学分析，声学和粒子分析，电磁学分析以及振动和波动分析等多个领域。

在机械行业，它可以用来研究飞行器、汽车、船舶、管道系统以及其他多种汽车结构的强度、刚度、耐久性以及稳定性的变化情况。

此外，它还可以用于研究矿山、桥梁结构的安全性分析，以及各种锅炉、压力容器的抗压性能分析。

当前，bem界元法在科学研究与技术开发方面发挥着重要作用。

与以往分析技术相比，它可以更快更准确地求解复杂的力学分析问题，有助于提高制造质量，改善产品设计效率，提高结构体的可靠性，降低产品的生产成本，提高生产率，维护产品的质量。

可以预见，bem界元法必将在未来的科学研究中发挥更大的作用，成为科学研究与技术开发的利器，为社会发展做出更大的贡献。