MoM和FEM之间的区别

计算科学 有限元 计算物理学 边界元法
2021-12-15 10:26:18

矩量法有限元法是计算电磁学中求解电磁方程最常用的两种方法。众所周知,在 FEM 中使用稀疏矩阵,而 MoM 使用全矩阵。

我的问题是,为什么 MoM 使用全矩阵,而在 FEM 中获得稀疏矩阵?这些类型的解决方案之间有什么优点或缺点吗?

2个回答

矩量法是电磁学界的边界元法 (BEM) 的名称。由于您对 BEM 使用 Green 函数,因此您会得到完全填充的非对称矩阵。

BEM 通常提到的一些优点是:

  • 它降低了网格的维数。这可能会导致更小的矩阵,但一般而言,与 FEM 的稀疏矩阵相比,它们更昂贵。在处理断裂力学和形状优化等重新划分网格时,这可能是一个优势。

  • 您可以自然地处理无界域,例如外部声学、天线辐射或地震波传播。

您可以添加快速多极方法来提高边界元法的性能。而且,我会说这是要走的路,而不是现在只使用普通的 BEM。

参考

刘毅(2009)。快速多极边界元法:工程理论与应用。剑桥大学出版社。

MoM/BEM 的优势:

  1. BEM 自然地结合了无限远的边界,而 FEM 需要在某个点截断域。这可能是错误的一个特征。截断意味着 FEM 很容易自然地对周期性结构进行建模,但不是开放边界;BEM 反之亦然。
  2. BEM 的计算工作量通常取决于您感兴趣的物理几何形状(即边界)的复杂性。相比之下,FEM 与感兴趣的物理体积成比例增长。
  3. BEM 需要一个完整的系统矩阵,而 FEM 通常是 SPARSE。考虑这一点的一种方法是 BEM 中的每个源点都取决于每个其他源在做什么。相反,FEM 中的单个节点仅取决于其邻居在做什么。
  4. BEM 很难可靠地工作。您添加到 BEM 的每一个小功能往往都需要大量仔细的数学分析。相比之下,FEM 中最困难的部分通常是网格划分。一旦你弄清楚了那部分,模拟的其余部分就会自行处理。因此,如果您想自己编写代码,使用 FEM 进入障碍会容易得多。
  5. FEM 的稳定性可以说比 BEM 好一点。例如,尖角特别讨厌,因为电荷密度想要射向无穷大。这可能会扰乱您与 BEM 的融合。相比之下,FEM 通常不会对这类事情做出如此糟糕的反应。
  6. 浮动导体本来就很难用 FEM 建模,但 BEM 可以很容易地做到这一点。

可能有更多的优点/缺点,但这些是我在编写自己的模拟代码时遇到的大问题。