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《南京理工大学》 2007年
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电磁场中的快速有限元分析

平学伟  
【摘要】: 在工程应用中的诸多领域,采用数值仿真实验的方法不仅能够降低生产成本,缩短产品研发周期,而且能够保证产品的可靠性。因此随着电子计算机与科学技术的发展,各种数值方法越来越具有重要性。一种优秀的数值仿真方法,不但表现在其模拟物理问题的精确度上,还表现在求解物理问题的效率上,即所使用的计算机内存与计算求解的时间要尽可能的少。而对于给定的问题,计算精度与求解时间、占用内存的多少始终是无法克服的矛盾。现代电磁场的发展要求数值算法能够分析的工程问题的电尺寸越来越大、并且越来越复杂,而传统的数值计算方法在解决这类问题时在内存空间与计算时间方面很难达到合理的要求。本文以高频电磁场中基于矢量Helmholtz方程的电磁场边值问题为基础,研究了矢量有限元法的高效仿真技术,主要着眼于探索在电磁场有限元分析中得以有效应用的快速求解算法。 本文首先对有限元法的原理和发展现状、有限元系统矩阵的特点等进行了简单的介绍与研究,然后根据有限元线性系统的特点系统研究了一系列适合有限元线性系统求解的高效算法。主要包括:基于矩阵的预条件技术,例如Jacobi预条件、SSOR预条件、FSAI预条件、加对角扰动的IC预条件等;基于物理模型的预条件技术,例如将电场转化为混合位建模,然后再使用预条件迭代法求解、基于算子偏移的预条件技术等;求解超大规模电磁问题的并行区域分解技术;基于高阶等级基建模的方法及其快速算法,包括p-型的多重网格法、Schwarz方法等。其中基于矩阵的预条件技术有广泛的适用性,不但适用于有限元产生的线性系统,也适用于矩量法等方法产生的线性系统;基于物理模型的高效稳定的预条件技术针对影响切向矢量有限元系统病态性的因素来构造合适的预条件算子,从而能够获得很好的预条件效果;并行区域分解技术使用分布内存式计算机进行求解,可以用较少的成本来求解一些超大规模的物理问题;而采用高阶基函数是求解大型复杂问题时提高计算精度与降低未知量个数的有效方法,是有限元技术发展的新方向。这些方法引入有限元后,可以非常有效的提高有限元法处理电大尺寸或具有复杂结构的问题的能力。文中我们结合波导不连续性、微带天线等电磁问题,详细的分析比较了这些高效求解算法在高频电磁场全波分析中的性能,并针对现有算法在分析高频电磁问题中的缺陷提出了一些改进的新方法,获得了良好的性能。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O441.4;TM15

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 朱剑;复杂电磁问题的有限元、边界积分及混合算法的快速分析技术[D];南京理工大学;2011年
2 杜磊;时域有限元电磁计算方法的研究[D];南京理工大学;2010年
3 李月卉;电磁场数值求解中迭代方法与预条件技术研究[D];电子科技大学;2011年
4 陈锐;CSAMT三维交错采样有限差分数值模拟并行算法研究[D];中国地质大学(北京);2012年
5 叶珍宝;时域有限差分和时域有限元电磁数值计算的研究[D];南京理工大学;2008年
6 孙志远;基于磁力耦合法建筑钢材料应力检测技术研究[D];中国地震局工程力学研究所;2012年
7 孙继禹;MIMO雷达成像的电磁分析与模拟[D];哈尔滨工程大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 曹海平;复杂媒质的电磁特性分析[D];南京理工大学;2008年
2 夏爱龙;有限元/边界积分法的研究分析[D];南京理工大学;2009年
3 贾会亮;频域有限元区域分解法的研究[D];南京理工大学;2009年
4 安婷婷;无线通信系统中新型天线技术的研究与设计[D];山西大学;2010年
5 李晨光;无线通信系统中宽带无源器件的研究与设计[D];山西大学;2013年
6 秦臻;实验包层模块在MD破裂下的电磁安全分析[D];电子科技大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 何元清,孙世新,陈文宇;网络通信延迟对并行效率的影响[J];电子科技大学学报;2002年02期
2 都志辉,麦联叨,朱子玉,刘昊飞,李三立;克服机群系统通信瓶颈的软件方法[J];小型微型计算机系统;2002年01期
3 王小伟,郭力,葛蔚,杨章远;高性能并行集群计算环境的构建与性能测试[J];小型微型计算机系统;2004年03期
4 王文义,张影;构建高性能集群计算机系统的关键技术[J];郑州工业大学学报;2001年01期
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 韦祥文;MPI平台下二维欧拉方程数值解法[D];西北工业大学;2003年
2 汪梅婷;基于MPI的并行计算中矩阵传输协议及负载平衡算法的研究与设计[D];燕山大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钟读贤;;小波分析在矩量法中的应用[J];合肥师范学院学报;2011年03期
2 陈绍平;;线栅天线通用程序的分析与计算[J];安徽大学学报(自然科学版);1991年01期
3 赵瑾,吴先良,付彪,李世雄;基于辛几何理论求解电磁波在二维非均匀媒质中的传播与焦散问题[J];安徽大学学报(自然科学版);2001年04期
4 孙玉发,陈明生,任志军;应用DWT-Chebyshev方法计算宽带雷达散射截面[J];安徽大学学报(自然科学版);2005年04期
5 陈晓坤;高强;;有理降阶模型在电磁问题中的应用[J];安徽大学学报(自然科学版);2006年01期
6 王晨;徐安农;蒋心学;;求解扩散方程的一类显示交替分组方法[J];安徽大学学报(自然科学版);2008年01期
7 庞新琴;基于PETSc的MPI编程方法及应用[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2003年02期
8 张伟林;网络并行计算及在计算力学中的应用[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2003年01期
9 吴萍;高频区有表面波散射机制目标的RCS的预估[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2003年03期
10 赵方方;吴先良;陈明生;;旋转PE算法在目标电磁散射分析中的应用[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2006年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 施鹤年;蒋仁培;陈清河;;铁氧体波导中电磁场传播问题的有限元分析[A];1987年全国微波会议论文集(上)[C];1987年
2 张贞卓;王湖庄;陈抗生;;新型波导缝隙天线在有限圆盘上的辐射[A];1995年全国微波会议论文集(上册)[C];1995年
3 王溪萍;邓次平;;空心截锥顶振子天线辐射方向图的GTD计算[A];1995年全国微波会议论文集(上册)[C];1995年
4 康刚;祝西里;王长清;;单极天线辐射场及其与人体作用的研究[A];1995年全国微波会议论文集(下册)[C];1995年
5 宗欣;莫军;张德美;徐兵;;结构非线性静力学高效算法研究[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
6 彭朕;盛新庆;;介质填充波导高次模求解的快速边缘元算法[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年
7 李童;;Matlab与电磁场算法FDTD[A];2006北京地区高校研究生学术交流会——通信与信息技术会议论文集(上)[C];2006年
8 孟萃;陈雨生;程建平;刘以农;;瞬态电磁场对双层圆柱腔体耦合效应的三维FDTD数值模拟[A];第十三届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(下册)[C];2006年
9 张锦雄;;矩阵相乘并行算法的MPI实现[A];广西计算机学会2004年学术年会论文集[C];2004年
10 唐敏康;马艳玲;;基于有限差分法的线板式电除尘器粒子输送模型的建立[A];第十四届中国电除尘学术会议论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 易煦农;人工电磁材料的光学特性及应用研究[D];华中科技大学;2010年
2 赵立华;纳米尺度光波导及微结构若干性质研究[D];南开大学;2010年
3 芮锡;旋转结构体电磁问题的高效分析与应用[D];电子科技大学;2010年
4 廖臣;三维电磁粒子模拟并行算法及其应用研究[D];电子科技大学;2010年
5 荆燕飞;线性方程组迭代法与预条件技术及在电磁散射计算中的应用[D];电子科技大学;2010年
6 任志刚;预条件算法及在电磁场数值模拟中的应用[D];电子科技大学;2010年
7 赖生建;计算电磁学中的径向基无网格法[D];电子科技大学;2010年
8 黄卓红;PDE离散方程组和鞍点问题的预处理方法[D];电子科技大学;2010年
9 王姗姗;微纳光纤的反射特性及其光子学器件应用[D];浙江大学;2010年
10 胡亮;基于边界法向磁通密度逐点测量的无旋磁场重构方法及其应用[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘鹏;煤粉永磁强磁滤器的研究[D];河南理工大学;2010年
2 朱圣鑫;并行GPBiCG(m,l)算法与预处理技术[D];中国工程物理研究院;2010年
3 盛志明;对流扩散方程的并行差分格式[D];中国工程物理研究院;2010年
4 吕信;激光能量沉积光路追踪法及其并行化[D];中国工程物理研究院;2009年
5 李新蕾;金属磁记忆检测机理的试验研究与有限元仿真[D];南昌航空大学;2010年
6 林治晖;基于WEB服务的高可扩展性机群管理系统的研究与实现[D];山东科技大学;2010年
7 刘涛;遥感图像分块分类技术的研究与应用[D];山东科技大学;2010年
8 杨雷;集群系统的通信性能分析与优化[D];辽宁师范大学;2010年
9 王瑶;无线信号在建筑物群中的传播——反射、绕射及路径搜索[D];郑州大学;2010年
10 王瑞英;H(curl)空间的各向异性分析[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄兴中,吕善伟;有等离子体层的导体圆柱空间散射特性的分析[J];北京航空航天大学学报;1998年03期
2 姜智鹏;庄飚;关涛;母海方;;基于FLUX软件的舰船磁场计算[J];船电技术;2010年12期
3 唐德东;黄尚廉;陈伟民;;基于磁弹效应的斜拉桥索力传感器研究[J];传感器与微系统;2006年10期
4 孙志远;杨学山;;钢材料电磁应力传感器技术研究[J];传感器与微系统;2011年08期
5 朱海奎;刘敏;周洪庆;;LTCC介质材料的研究进展[J];材料导报;2006年S1期
6 童孝忠;柳建新;郭荣文;;复杂二维/三维大地电磁的有限单元法正演模拟策略[J];CT理论与应用研究;2009年01期
7 钟慧,张怀武;低温共烧结陶瓷(LTCC):特点、应用及问题[J];磁性材料及器件;2003年04期
8 黄坤超;;矢量网络分析仪的时域功能在天线测量中的应用[J];电讯技术;2007年03期
9 段恒毅;戴俊虹;;便携式终端天线的分集设计[J];电讯技术;2007年06期
10 邵振海,洪伟;几种新的吸收边界条件在电磁散射中的应用[J];电波科学学报;1999年03期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 王安娜;章文勋;;宽频带圆极化天线的优化设计[A];2009年全国天线年会论文集(上)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 鲁晶津;地球电磁三维数值模拟的多重网格方法及其应用研究[D];中国科学技术大学;2010年
2 仲妍;大型稀疏线性方程组并行求解及预处理技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
3 王怀军;MIMO雷达成像算法研究[D];国防科学技术大学;2010年
4 李小康;基于MPI的频率域航空电磁法有限元二维正演并行计算研究[D];中国地质大学(北京);2011年
5 邓居智;可控源音频大地电磁法三维交错采样有限差分数值模拟研究[D];中国地质大学(北京);2011年
6 程汤培;地下水流动数值模拟的高效并行计算研究[D];中国地质大学(北京);2011年
7 杜刘革;基于多GPU的FDTD并行算法及其在电磁仿真中的应用[D];山东大学;2011年
8 李月卉;电磁场数值求解中迭代方法与预条件技术研究[D];电子科技大学;2011年
9 马小玲;单口面双频双极化和宽波束宽频微带天线的研究和应用[D];中国科学院电子学研究所;2001年
10 刘瑞芳;基于电磁场数值计算的永磁电机性能分析方法研究[D];东南大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 魏卓群;GPU并行免疫算法在冷轧生产调度中的应用[D];大连理工大学;2010年
2 程超;ITER屏蔽块的热流体和热应力计算[D];电子科技大学;2011年
3 李熙铭;基于GPU的高性能有限元方法研究[D];吉林大学;2011年
4 郭振;超宽带与圆极化微带天线研究[D];南京航空航天大学;2010年
5 秦晋;Krylov子空间方法的GPU加速算法研究[D];国防科学技术大学;2010年
6 陈波;基于CPU-GPU异构平台的性能优化及多核并行编程模型的研究[D];中国科学技术大学;2011年
7 周延;稀布阵综合脉冲孔径雷达实验系统仿真信号源的研制[D];西安电子科技大学;2001年
8 曲利岩;电磁场有限元分析技术的研究和实现[D];浙江大学;2002年
9 刘洪;钢管二维漏磁检测设备监控系统的研究与实现[D];合肥工业大学;2002年
10 黄均才;网络环境下的并行生物计算研究与实现[D];电子科技大学;2004年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 唐任远;吴东阳;谢德馨;;单元级别并行有限元法求解工程涡流场的关键问题研究[J];电工技术学报;2014年05期
2 邓小乔;李茁;牛臻弋;顾长青;;一种快速计算电磁各向异性介质目标RCS的新方法[J];南京航空航天大学学报;2012年04期
3 张慧洁;;基于磁力耦合法建筑钢材料应力检测技术探讨[J];电子测试;2014年09期
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 杜磊;时域有限元电磁计算方法的研究[D];南京理工大学;2010年
2 王宏斌;广义反投影方法在三维电阻抗成像中的研究及实现[D];河北工业大学;2011年
3 陈锐;CSAMT三维交错采样有限差分数值模拟并行算法研究[D];中国地质大学(北京);2012年
4 朱占新;大型电力变压器三维涡流场结构件损耗计算方法的研究[D];沈阳工业大学;2012年
5 曹欣远;应用压缩感知求解宽角度激励下三维电磁散射问题[D];安徽大学;2013年
6 周建美;各向异性地层中可控源电磁法一维全参数反演及三维有限体积正演算法研究[D];吉林大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 卿君;复杂媒质的电磁特性分析及快速算法研究[D];西安电子科技大学;2010年
2 宁辉;基于S3C44B0的无线数传系统应用研究[D];西南交通大学;2011年
3 刘攀;时域数值算法在无线信道分析中的应用[D];南京邮电大学;2012年
4 吕芳;微带全向共形天线设计[D];南京理工大学;2012年
5 祝晓盈;高阶基函数在基于EB时域有限元中的应用[D];南京理工大学;2010年
6 王汉宁;铁氧体薄膜移相器的设计[D];杭州电子科技大学;2012年
7 牛凤文;RFID系统中小型化双频微带天线的研究[D];安徽大学;2012年
8 李路涛;GPU加速的大规模岩土工程有限元计算中的迭代求解[D];北京交通大学;2012年
9 赵倩;新型差分格式TDFEM及其腔体屏蔽效能分析研究[D];南京航空航天大学;2012年
10 何曼曼;基于CRLH结构的微带漏波天线仿真研究[D];西安电子科技大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 赵军锁,周恩强;消息传递、PVM及MPI[J];电脑与信息技术;1998年02期
2 黄淑玲;可扩展并行计算的应用与研究[J];电脑知识与技术;2005年12期
3 周新海;叶栅激波流场的数值模拟与高分辨率差分格式[J];工程热物理学报;1989年03期
4 杨爱民,陈一鸣;MPI并行编程环境及程序设计[J];河北理工学院学报;2005年03期
5 孙振河,李金宝,任美睿;网格计算环境下基于任务池的任务调度方法[J];黑龙江大学自然科学学报;2005年01期
6 张平,宋丙林,王琼芳;基于计算网格的机器人分布式仿真系统[J];机器人;2005年04期
7 徐万鸿,宋佳兴,刘卫东,徐恪;基于节点机计算能力的网络计算体系[J];计算机工程与应用;2001年16期
8 曾丽芳,曾劲松;DSM体系结构对并行编译系统的支持与挑战[J];计算机工程与应用;2003年01期
9 郑磊,周济华;单边通信在标准Unix系统上的实现[J];计算机工程与应用;2004年16期
10 马艳琨,马胜甫,田俊峰,张建勋;一种用于PC存储集群的动态负载平衡策略[J];计算机工程与应用;2004年29期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 蒋江;异构集群系统中基于进程迁移机制的负载平衡算法的研究[D];国防科学技术大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 邹晖;异构机群并行计算环境研究及应用[D];成都理工大学;2002年
2 李小卫;并行程序动态行为可视化监测及并行I/O研究[D];成都理工大学;2003年
3 王春霞;PC集群系统的并行开发环境MPI及其程序性能的分析研究[D];郑州大学;2003年
4 韦祥文;MPI平台下二维欧拉方程数值解法[D];西北工业大学;2003年
5 陈春峰;叶轮机械三维流动数值模拟的并行算法与集群系统研究[D];西北工业大学;2002年
6 冯宪澄;基于MPI的并行小波图像分割研究[D];浙江工业大学;2004年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李继成;;一种有效的新预条件方法[J];数学物理学报;2008年01期
2 薛秋芳;L-矩阵的一类新预条件迭代方法[J];华中师范大学学报(自然科学版);2005年03期
3 吴建平;王正华;李晓梅;;二维三温能量方程组的预条件迭代软件包研制——离散所得稀疏线性方程组的求解[J];计算机工程与应用;2007年33期
4 李继成;孔旭;李伟;;求解线性系统的新预条件子及比较定理(英文)[J];工程数学学报;2009年03期
5 沈海龙;邵新慧;张铁;李长军;;H-矩阵方程组的预条件迭代法[J];数值计算与计算机应用;2009年04期
6 黄维章;一些模型问题高阶离散格式的低阶预条件[J];科学通报;1992年07期
7 周富照;张艳丽;;多项式预条件求解一类矩阵方程[J];重庆理工大学学报(自然科学版);2011年03期
8 张占龙;邓军;朱祯海;肖冬萍;李德文;胡强;何为;郭伟;;电场计算的快速多极子预条件高阶边界元法[J];重庆大学学报;2011年06期
9 任志刚;黄廷祝;李良;;散射问题中复线性系统的扰动预条件技术(英文)[J];工程数学学报;2012年03期
10 陈金雄;;L-矩阵的预条件方法及其比较定理[J];云南民族大学学报(自然科学版);2013年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 梅金顺;刘洪;;预条件方程组及其应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所二○○四学术论文汇编·第三卷(油气·矿产·水资源)[C];2004年
2 刘喜武;刘洪;;实现稀疏反褶积的预条件双共轭梯度法[A];中国科学院地质与地球物理研究所二○○三学术论文汇编·第四卷(油气资源)[C];2003年
3 柯涛;丁建军;丁大志;樊振宏;陈如山;;特征谱双步预条件结合多分辨预条件技术快速分析电磁散射问题[A];2007年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2007年
4 丁大志;王晨;张清荣;陈如山;;加速多层快速多极子的近区迭代预条件方法的应用(英文)[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第一册)[C];2006年
5 霍志周;熊登;张剑锋;;预条件共轭梯度法在地震数据重建方法中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所2013年度(第13届)学术论文汇编——油气资源研究室[C];2014年
6 姜兆能;陈如山;陈华;樊振宏;丁大志;;多分辨预条件结合混合形式快速多极子算法分析低频散射问题[A];2009年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2009年
7 肖映雄;陈鹏;舒适;;两类网格结构模型的预处理方法[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
8 董健;柴舜连;毛钧杰;;预条件技术和迭代算法在高效实现MLFMA中的对比研究[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第三册)[C];2006年
9 赵延文;张雪峰;陆田;杨颖怡;;矩阵预条件技术在时域积分方程MOT算法中的应用[A];2009年全国天线年会论文集(上)[C];2009年
10 阙肖峰;聂在平;;一类基于MLFMA的分组稀疏近似逆预条件技术[A];2009年全国天线年会论文集(上)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李正光;结构布局修改静力重分析的预条件共轭梯度法[D];吉林大学;2004年
2 张勇;线性方程组预条件技术及在二维三温问题中的应用和实现[D];电子科技大学;2008年
3 任志刚;预条件算法及在电磁场数值模拟中的应用[D];电子科技大学;2010年
4 李月卉;电磁场数值求解中迭代方法与预条件技术研究[D];电子科技大学;2011年
5 张振宇;数值线性代数中的若干问题[D];复旦大学;2003年
6 王瑞瑞;求解某些特殊稀疏线性系统的数值解法[D];厦门大学;2009年
7 程光辉;大型稀疏线性代数系统迭代解法研究[D];电子科技大学;2008年
8 刘春梅;几种求解H(curl)与H(grad)型偏微分方程有限元离散系统的多水平快速算法[D];湘潭大学;2012年
9 陈明;并行多层快速多极子算法加速技术的研究[D];南京理工大学;2012年
10 平学伟;电磁场中的快速有限元分析[D];南京理工大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘金妮;近似逆预条件子的研究[D];电子科技大学;2009年
2 谭林;两类典型微分方程离散化系统的预条件子研究[D];湘潭大学;2006年
3 赵海燕;线性系统的预条件解法[D];扬州大学;2008年
4 徐锦秋;解一类微分方程的预条件方法的收敛性[D];扬州大学;2009年
5 江跃勇;块三对角矩阵的不完全分解预条件方法[D];电子科技大学;2007年
6 徐森林;求解二阶混合有限体元离散系统的高效预条件子[D];湘潭大学;2011年
7 韦亮;确定加权多分裂预条件子的三个极小化模型[D];太原理工大学;2012年
8 李进阳;复杂目标电磁建模及预条件加速技术研究[D];南京理工大学;2013年
9 周少博;大型线性方程组不完全分解预条件方法的研究[D];电子科技大学;2008年
10 王卫芳;线性方程组的预条件迭代解法及其比较性定理[D];陕西师范大学;2008年
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