课程介绍

在人类历史上,电子计算机的出现是一个划时代的事件,因为它的发明在相当广泛的范围内改变了人们的生产生活方式,对于人类社会的各个领域也产生了不可估量的影响,对于科学技术和各门学科已经并继续产生着深刻的影响。   计算机对自然科学和工程技术的结合是从它的诞生开始的,但是发展得最早最广泛和最早系统化起来的方向便是计算力学学科的产生。计算力学做为一个学科是70年代开始的。它的定义是:用计算机解决力学问题,它是电子计算机大规模用于求解力学问题的产物。几十年来,它的重要性已经毋庸置疑。 计算力学所研究的内容是十分广泛的,但概括起来,它主要解决三个方面的问题。   (1)离散化方法问题 客观力学量都是空间和时间的连续量,为了能被计算机处理,必须变为离散量,即把描述力学过程的微分方程转化为代数方程组。这方面,5、60年代出现的,随后被广泛应用的有限元法是离散化最优秀的例子之一。   (2)算法 对于同一个力学问题,有不同的算法,采用好的算法不仅省时,省存储,而且结果还很精确。一个好的算法的产生和推广往往能够事半功倍,大大提高解决问题的效率。例如稀疏矩阵的消去法,波前算法,QR方法以及超矩阵算法和对非线性问题的同伦算法等都是适用于计算机的行之有效的算法。 (3)软件 即程序编制工作,从60年代开始,人们逐渐开发用于求解力学问题的通用程序,从事这种工作的人很多,形成了一个重要的方向。它包括有限元分析软件以及前后处理,图形显示以及各种人机对话式的计算机辅助设计软件等等。到上世纪80年代初,国际上较大的结构分析通用有限元程序发展到几百种,计算力学是计算机科学、计算数学与力学学科相结合的产物。随着计算机软硬件技术的快速发展,计算力学也得到了迅速发展,成为力学工作者和工程技术人员解决自然科学和工程实践中力学问题的重要手段。它是根据力学中的理论,利用现代电子计算机和各种数值方法,解决力学中的实际问题的一门新兴学科。计算力学横贯力学的各个分支,不断扩大各个领域中力学的研究和应用范围,同时也在逐渐发展自己的理论和方法。其应用范围已扩大到固体力学、岩土力学、水力学、流体力学、生物力学等领域。计算力学主要进行数值方法的研究,如对有限差分方法、有限元法作进一步深入研究,对一些新的方法及基础理论问题进行探索等等。计算力学横贯各个力学分支,为它们服务,促进它们的发展,同时也受它们的影响。 数值计算方法最早成员应为有限差分法,有限差分法从数学的角度用差分代替微分,将力学中的微分方程转化为代数方程,从而大大拓宽了力学学科的应用范围;有限元法的问世促进了计算力学的发展。有限元法建立了计算模型、离散方法、数值求解和计算机程序实现的统一方法,通过变分原理将原问题的泛函转化成代数方程进行求解;20世纪70年代初出现了边界元法,对于分析某些工程实际问题,边界元法具有其突出的优点。上述三种方法被称为计算力学的三大支柱。除此之外,计算力学还包含了其它一些重要分支,如加权残数法、有限元线法,半解析半数值法等。目前,计算力学的主要研究方向集中在如何建立高效的、有足够精度的计算手段上,特别是解决如何建立这些计算手段的共性问题。在计算力学的发展过程中,从结构的离散化方法、单元列式、控制方程求解、计算结果自动处理到收敛理论都可以建立成为不依赖于结构类型和几何形状的统一方式。计算模型的建立、计算方法的构造和计算软件的开发是计算力学研究中的共性问题。

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