Кіріспе

Сызықтық бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді шешу әдісі

Шекаралық элемент әдісі (BEM) – интегралдық теңдеулер түрінде (яғни шекаралық интеграл түрінде) формулировкаланған сызықтық бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді шешуге арналған сандық есептеу әдісі. Бұл әдіс сұйықтық механикасы, акустика, электромагнетизм (мұнда моменттер әдісі ретінде белгілі немесе MoM деп қысқартылады), сыну механикасы және контактілік механика сияқты салаларда қолданылады.

Математикалық негіз

Интегралды теңдеуді басқарушы бөлшектік дифференциалдық теңдеудің нақты шешімі ретінде қарастыруға болады. Шекаралық элемент әдісі берілген шектік жағдайларды шектік мәндерді интегралды теңдеуге сәйкес келтіруге тырысады, емес, бөлшектік дифференциалдық теңдеумен анықталған кеңістіктегі мәндерге. Мұны орындағаннан кейін, кейіннен өңдеу кезеңінде интегралды теңдеуді шешімнің ішкі аймағындағы кез келген қажетті нүктеде шешімді сандық есептеу үшін қайтадан пайдалануға болады. BEM Грин функцияларын есептеуге болатын проблемаларға қолданылады. Бұл әдетте сызықтық біртекті ортадағы өрістерді қамтиды. Бұл шекаралық элементтерді пайдалы түрде қолдануға болатын проблемалардың ауқымы мен жалпылығына айтарлықтай шектеулер қояды. Формуляцияға сызықтық емес элементтер енгізілуі мүмкін, бірақ олар әдетте көлем интегралдарын енгізеді, содан кейін шешімді қолдануға тырысудан бұрын көлемді дискреттеуді талап етеді, бұл BEM-нің ең жиі келтірілген артықшылықтарының бірі. Көлем интегралын дискреттеусіз өңдеудің пайдалы әдісі - қос өзара әдіс. Бұл әдіс радиалды негіз функцияларын (жергілікті интерполяциялық функциялар) пайдалана отырып интегралдың бір бөлігін шамалайды және көлемдік интегралды бүкіл көлемдік доменде (шекараны қоса алғанда) орналастырылған таңдалған нүктелерде орналастырғаннан кейін шекаралық интегралға айналдырады. Екілік өзаралық BEM-де, көлемді торларға дискреттеудің қажеті болмаса да, шешім доменінің ішіндегі таңдалған нүктелердегі белгісіздер қарастырылып отырған мәселені шамалайтын сызықтық алгебралық теңдеулерге қатысады. Грин функциясының элементтері желімен анықталған көз және өріс жапсырмаларының жұптарын біріктіретін матрицаны құрайды, ол сандық түрде шешіледі. Грин функциясы жақсы орындалмаса, кем дегенде бір-біріне жақын жапсырмалар жұбы үшін Грин функциясы бір немесе екі көз жапсырмасы мен өріс жапсырмасының үстінде біріктірілуі керек. Бұл әдістің қайнар көз мен өрістік жапсырмалар бойынша интегралдары бірдей болатын түрі "Галеркин әдісі" деп аталады. Гальеркин әдісі - бұл көз және өріс нүктелерін алмастыруға қатысты симметриялық проблемаларға арналған қарапайым тәсіл. Жиілік доменіндегі электромагниттік жүйеде бұл электромагниттік өзара әрекеттестікпен қамтамасыз етіледі. Наивті Галеркинді іске асыруда есептеме шығыны әдетте өте жоғары. Әр элемент жұбының үстінен айналып өту керек (осылайша біз n2 өзара әрекеттесулерді аламыз) және әрбір элемент жұбы үшін біз элементтердегі Гаусс нүктелері арқылы айналып, Гаусс нүктелерінің квадрат санына пропорционалды көбейту коэффициентін шығарамыз. Сонымен қатар, функцияны бағалау өте қымбат, өйткені тригонометриялық/гиперболалық функцияларды шақырады. Дегенмен, есептеу шығындарының негізгі көзі - толық толтырылған матрицаны өндіретін элементтердегі қос цикл. Грин функциялары немесе негізгі шешімдерді интеграциялау жиі қиын, өйткені олар сингулярлық жүктемеге (мысалы, нүктелік зарядтан туындайтын электр өрісі) жататын жүйелік теңдеулердің шешімдеріне негізделген. Мұндай ерекше салаларды біріктіру оңай емес. Қарапайым элементтік геометриялар үшін (мысалы, жазықты үшбұрыштар) аналитикалық интеграцияны қолдануға болады. Жалпы элементтер үшін сингулярлыққа бейімделетін, бірақ үлкен есептеу шығындары бар таза сандық схемаларды жобалау мүмкін. Әрине, бастапқы нүкте мен мақсатты элемент (интеграция жүргізілетін жерде) бір-бірінен алыс болған кезде, нүктеге айналдыратын жергілікті градиентті дәл өлшеудің қажеті жоқ және негізгі ерітіндісінің тегіс ыдырауынан кейін оңай интеграциялауға болады. Бұл ерекшелік, әдетте, шекті элемент мәселелерін есептеуді жеделдету үшін жасалған схемаларда қолданылады. Жабық формадағы Грин функцияларын шығару шекаралық элементтер әдісінде, әсіресе электромагнитте ерекше қызығушылық тудырады. Нақтылай айтқанда, қабатты медиаларды талдау кезінде кеңістіктік доменді алу Грин функциясының Sommerfeld жолы интегралы арқылы аналитикалық түрде алынуы мүмкін спектрлік доменді Грин функциясының инверсиясын қажет етеді. Бұл интегралды талдау арқылы бағалау мүмкін емес, ал сандық интеграл оның тербелістік және баяу конвергенттік мінез-құлқынан қымбатқа түседі. Қатты талдау үшін кеңістіктік Грин функциялары Прони әдісі немесе функцияның жалпыланған қарындашы сияқты әдістермен күрделі экспоненциалдар ретінде шамаланады және интеграл Сомерфельд сәйкестігімен бағаланады.

Басқа әдістермен салыстыру

Шекаралық элементтер әдісі көбінесе басқа әдістерге қарағанда, соның ішінде шекті элементтерге қарағанда, бет/көлем арақатынасы шағын болатын проблемалар үшін есептеу ресурстары тұрғысынан тиімді. Теориялық тұрғыдан алғанда, ол модельделген бет үстінде "тор" құру арқылы жұмыс істейді. Дегенмен, көптеген жағдайларда шекаралық элементтер әдісі көлемдік дискреттеу әдістерінен (шекті элементтер әдісі, шекті айырма әдісі, шекті көлем әдісі) гөрі әлдеқайда тиімсіз. Шекаралық элементтер әдісін қолданудың нақты мысалы – резервуарлардағы сұйықтықтың тербелісінің табиғи жиіліктерін тиімді есептеу. Шекаралық элементтер әдісі контактілік проблемаларды сандық модельдеу үшін ең тиімді әдістердің бірі, әсіресе жабысқақ контактілерді модельдеуде. Шекаралық элементтердің формулалары көбінесе толыққанды матрицаларға алып келеді. Бұл сақтау және есептеу уақыты проблеманың өлшеміне пропорционал квадратиктік түрде өседі дегенді білдіреді. Керісінше, шекті элементтер матрицалары әдетте жолақты болады (элементтер тек локальды байланысты) және жүйелік матрицаларға қатысты сақтау талаптары проблеманың өлшемімен сызықтық түрде өседі. Қысымдау техникаларын (мысалы, көпполюсті кеңейтулер немесе адаптивті қиылыс жақындастыру/иерархиялық матрицалар) осы мәселелерді шешу үшін қолдануға болады, бірақ бұл қосымша күрделілік пен шешілетін проблеманың сипатына және геометриясына байланысты сәттілік деңгейімен байланысты.