Partial Differential Equations and the Finite Element Method

Partial Differential Equations and the Finite Element Method pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:John Wiley & Sons Inc
作者:Pavel Ŝolín
出品人:
页数:504
译者:
出版时间:2005-11
价格:2025.00元
装帧:HRD
isbn号码:9780471720706
丛书系列:
图书标签:
  • 偏微分方程
  • 有限元方法
  • 数值分析
  • 数学建模
  • 计算数学
  • 工程数学
  • 科学计算
  • 应用数学
  • 数值方法
  • 高等数学
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具体描述

A systematic introduction to partial differential

equations and modern finite element methods for their efficient numerical solution

Partial Differential Equations and the Finite Element Method provides a much-needed, clear, and systematic introduction to modern theory of partial differential equations (PDEs) and finite element methods (FEM). Both nodal and hierachic concepts of the FEM are examined. Reflecting the growing complexity and multiscale nature of current engineering and scientific problems, the author emphasizes higher-order finite element methods such as the spectral or hp-FEM.

A solid introduction to the theory of PDEs and FEM contained in Chapters 1-4 serves as the core and foundation of the publication. Chapter 5 is devoted to modern higher-order methods for the numerical solution of ordinary differential equations (ODEs) that arise in the semidiscretization of time-dependent PDEs by the Method of Lines (MOL). Chapter 6 discusses fourth-order PDEs rooted in the bending of elastic beams and plates and approximates their solution by means of higher-order Hermite and Argyris elements. Finally, Chapter 7 introduces the reader to various PDEs governing computational electromagnetics and describes their finite element approximation, including modern higher-order edge elements for Maxwell's equations.

The understanding of many theoretical and practical aspects of both PDEs and FEM requires a solid knowledge of linear algebra and elementary functional analysis, such as functions and linear operators in the Lebesgue, Hilbert, and Sobolev spaces. These topics are discussed with the help of many illustrative examples in Appendix A, which is provided as a service for those readers who need to gain the necessary background or require a refresher tutorial. Appendix B presents several finite element computations rooted in practical engineering problems and demonstrates the benefits of using higher-order FEM.

Numerous finite element algorithms are written out in detail alongside implementation discussions. Exercises, including many that involve programming the FEM, are designed to assist the reader in solving typical problems in engineering and science.

Specifically designed as a coursebook, this student-tested publication is geared to upper-level undergraduates and graduate students in all disciplines of computational engineeringand science. It is also a practical problem-solving reference for researchers, engineers, and physicists.

好的,这是一份关于其他主题的图书简介,内容详尽,旨在避开您提到的《偏微分方程与有限元方法》中的特定内容。 《先进结构动力学:理论、数值模拟与工程应用》 本书导言 在现代工程科学领域,结构系统所面临的复杂动态载荷与环境是日益严峻的挑战。从高速列车的运行到航空航天器在极端大气环境中的飞行,再到大型基础设施在地震或风荷载下的响应,理解和准确预测结构的动态行为至关重要。本书《先进结构动力学:理论、数值模拟与工程应用》旨在为结构工程、机械工程以及土木工程的研究人员、工程师和高年级学生提供一个全面、深入且具有高度实用性的理论框架与计算工具集。 本书的独特之处在于,它不仅系统地回顾了经典结构动力学的基本原理,更将重点放在了处理现代工程问题所需的先进建模技术、非线性现象的分析以及高效的数值求解策略上。我们力求在理论的严谨性与工程实践的可操作性之间找到最佳平衡点。 第一部分:基础理论的深化与扩展 本书的开篇部分(第1章至第3章)致力于夯实读者对结构动力学基础的理解,但采取了超越传统教材的深度和广度。 第1章:离散系统动力学的再审视与进阶 本章首先回顾了单自由度(SDOF)和多自由度(MDOF)系统的振动分析,重点在于模态分析和自由振动理论。随后,深入探讨了基于拉格朗日力学和哈密顿力学的系统动力学建模,特别关注了约束系统的建模,如使用广义坐标和稳定化技术处理复杂的运动学约束。我们详细分析了阻尼理论的局限性,引入了更具物理意义的粘弹性阻尼和材料内部耗散模型,并探讨了非对称矩阵特征值问题的数值求解策略。 第2章:连续体动力学基础:从波动方程到能量泛函 本章将结构视为连续体,深入探讨弹性波在各向同性及正交异性介质中的传播特性。我们详细推导了线性弹性体的运动方程,并引入了基于变分原理(如哈密顿原理)的建立方法。重点讨论了波的反射、折射以及界面处的能量转移机制。针对工程中的薄壁结构和梁柱体系,推导了欧拉-伯努利梁、铁木辛柯梁和薄壳的动力学控制方程,强调了剪切变形和转动惯量的影响。 第3章:随机振动理论与载荷建模 在实际工程中,载荷通常具有随机性。本章系统阐述了随机振动的基本概念,包括平稳随机过程、广义平稳过程以及通过功率谱密度(PSD)和自相关函数描述随机输入。我们详细介绍了随机振动响应分析的方法,如模态分解法、频率响应函数法在随机环境下的应用,并讨论了可靠性分析与随机振动输出的概率密度函数估计。 第二部分:非线性动力学与高级分析技术 本书的核心和难点部分(第4章至第6章)聚焦于结构非线性动力学的处理,这是解决现代工程复杂问题的关键。 第4章:材料非线性与本构关系 本章专注于材料层面的非线性。详细介绍了塑性理论,包括金属材料的弹塑性本构模型(如Von Mises屈服准则及其流动法则)。特别关注了粘塑性、超弹性(如橡胶和复合材料)以及损伤模型的建立。本章的重点是如何在时间步进分析中保持本构关系和边界条件的协调性,并探讨了本构方程的数值积分方案,如隐式和显式方法的选择及其稳定性。 第5章:几何非线性和接触动力学 几何非线性(大变形效应)是影响柔性结构(如膜、缆索、柔索结构)和薄壁构件(如薄壳、折叠结构)稳定性的重要因素。本章推导了基于更新的拉格朗日描述和大变形应变张量,建立了非线性运动方程。此外,接触动力学是结构冲击和碰撞分析的基础,本章详细分析了接触的检测算法、冲量传递机制以及非光滑接触问题的数值处理,如摩擦接触的建模。 第6章:系统级非线性与多尺度分析 本章探讨了系统层面的非线性,包括参数激励振动和颤振现象。我们将随机激励与结构非线性结合,分析系统在复杂载荷下的行为。此外,引入了多尺度分析方法,用于处理具有不同时间尺度的耦合系统,例如含有阻尼器的结构振动,或者微纳机电系统(MEMS)的动力学建模。 第三部分:数值求解与计算策略 本书的最后部分(第7章和第8章)将理论与实际的数值计算紧密结合。 第7章:瞬态动力学问题的数值积分 处理非线性瞬态问题需要可靠的时间积分方法。本章全面评估了各种显式和隐式时间积分格式,如中心差分法、Newmark-$eta$法以及HHT-$alpha$法。重点分析了这些方法在保持稳定性和精度方面的权衡,并详细介绍了求解大尺度非线性系统的迭代求解器,如牛顿法、修正牛顿法及其在处理接触和材料非线性时的收敛性加速技术。 第8章:模态分析的扩展与计算效率 精确的模态信息是进行模态叠加法和减缩基方法的前提。本章超越了标准特征值问题的求解,探讨了大型稀疏矩阵的特征值问题的求解器,如Lanczos算法和Arnoldi迭代法,重点是如何有效地提取结构的前几阶振型。此外,本章还介绍了降阶模型(Reduced Order Models, ROMs)的构建方法,如Proper Orthogonal Decomposition (POD) 和 Krylov子空间方法,以应对超大型有限元模型的计算瓶颈。 总结 《先进结构动力学:理论、数值模拟与工程应用》不仅仅是一本理论参考书,更是一本面向前沿工程问题的操作指南。通过对复杂动力学现象的深入剖析和对先进数值工具的详尽介绍,本书旨在提升读者处理高动态、高非线性结构系统问题的能力,为下一代安全、高效的工程结构设计提供坚实的理论和计算支撑。

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