学习 FEM 的现代资源

计算科学 有限元 参考请求
2021-12-10 20:07:10

我需要开始使用有限元方法。我即将开始阅读Claes Johnson的有限元法的偏微分方程的数值解,但它的日期是 1987 年。

两个问题:

1)关于这个主题有哪些更新的好资源/教科书/电子书/讲义?

2)阅读一本 1987 年的书,我错过了多少?

谢谢。

4个回答

有很多现代有限元参考资料,但我将仅评论几本我认为实用且与应用相关的书籍,以及一本包含更全面分析的书籍。

这些资源未能涵盖诸如不连续 Galerkin 方法或H(curl)问题(麦克斯韦)。我认为对于这些主题,论文目前是比书籍更好的资源,尽管Hesthaven 和 Warburton Nodal 不连续 Galerkin 方法(2008 年)当然值得。

我还建议阅读开源有限元软件包中的示例,例如FEniCSLibmeshDeal.II。

对于第二个问题,作为 Claes Johnson 的书的读者,我想说你作为有限元方法的初学者并没有错过太多,那本书除了实现之外,对 FEM 的各个方面都非常全面.

然而,自 20 年前这本书出版以来,已经取得了很多进展,就像其他人已经提到的那样:在方法方面有不连续 Galerkin FEM 和不合格 FEM,H(curl)H(div)符合元素,自适应网格细化技术(hp-FEM)、时空FEM、最小二乘FEM、有限元外微积分等;求解线性方程组的方法有代数多重网格法、各种类型的nice预条件子、快速直接求解器等。

对于第一个问题,除了其他人已经提到的参考资料之外,我将列出一些 FEM 中某些特定主题的书籍:

  • Brezzi 和 Fortin 的混合和混合有限元方法:它具有元素的构造H(div)空间,也有很多各种方程的例子。

  • Monk的麦克斯韦方程的有限元方法:对于各种H(curl)问题,Sobolev 空间的理论分析和独立的有限元结构都被提出。

  • Šolín、Segeth 和 Doležel的高阶有限元方法:几乎是上述两本书的补充书,它全面而明确地构造了H(div)H(curl)符合有限元,即Raviart-Thomas 元素、Brezzi-Douglas-Marini 元素和Nédélec 元素在3D 中的任意阶,还给出了这些元素的求积公式。

  • Girault 和 Raviart的 Navier-Stokes 方程的有限元方法:FEM 参考书 IMHO 中的另一个经典,矢量势的理论分析是宝石,如果您正在处理 3D 矢量场 FEM 计算,那么这本书几乎有您需要的所有理论分析。

  • Ainsworth 和 Oden的有限元分析中的后验误差估计:本书涉及自适应网格细化的核心思想:有限元法的后验误差估计,以及如何构造各种类型的局部误差指标。

  • Ern 和 Guermond的《有限元理论与实践》:我想说的另一本全面的书,但不适合初学者,这本书适合对有限元有一定了解但想寻求更多成分的人,例如,作者在一般 Banach 空间设置中建立了 Babuška Inf-Sup 条件,并将其与泛函分析中的开映射和闭域定理进行了比较;这本书也很好地介绍了双曲 PDE 的不连续 Galerkin 方法;在本书的第三部分,作者对实现进行了全面的介绍,从如何选择正交点到如何有效地存储稀疏矩阵,以及所需子程序的一些伪代码。

我个人最喜欢的线性结构力学和动力学尚未被提及:

有限元程序,来自 KJ Bath。

如果你有结构工程背景,这本书是我见过的对 FEM 最好的介绍。它深入讨论了结构元素的制定、inf-sup 条件、误差估计和模态分析。它还讨论了非线性、热流和流体流动问题,但我不能将它推荐给这些主题(对于它们来说,只是更好的书)

我的其他最爱已经被提及(例如 Ern 和 Guermond、Donea 和 Huerta)。不过我还想补充一点:

有限元法分析,来自 Strang 和 Fix。

作为有限元理论背后的介绍。

有许多关于有限元方法的教科书。

一些经典参考是

  • O. Axelsson, VA Barker “边界值问题的有限元解决方案”介绍了基本原理,包括对求解方程组的有用直接和迭代技术的介绍和讨论。观点是关于力学和应用数学。

  • SC Brenner 和 L. Ridgway Scotte “有限元方法的数学理论”介绍了理解 FEM 基础的基本数学理论。观点是应用数学家的观点。本书侧重于数学理论,即适用于需要深入研究理论的应用数学家或工程师。

  • B. Szabó 和 I. Babuska “有限元分析”是一本精心编写的教科书,其中介绍了有限元理论的两位创始人的历史、基本理论和原理。该观点是应用数学家的观点,包含在结构力学中的应用。

  • MS Gockenbach “理解和实施有限元方法”是一本很好的介绍性参考书,介绍了有限元法的基础知识和一些高级主题,有限元法的相关实施细节,实用解决策略的讨论。它带有 Matlab 示例,是初学者的良好参考。它侧重于将有限元理论与工程应用联系起来。

  • I. Babuska、JR Whiteman 和 T. Strouboulis “有限元 - 方法和误差估计简介”旨在介绍 FEM 的基本数学理论,重点是工程应用和实际理解,特别强调用于自适应的误差估计有限元法。它写得很好,是有关主题的有用参考。