【XH】 电磁波时域计算方法-时域有限元法-(下册) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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葛德彪，魏兵 著

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出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560635316

商品编码：29485008753

包装：平装

出版时间：2014-11-01

基本信息

书名：电磁波时域计算方法-时域有限元法-(下册)

定价：28.00元

作者：葛德彪,魏兵

出版社：西安电子科技大学出版社

出版日期：2014-11-01

ISBN：9787560635316

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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《电磁波时域计算方法（下册）：时域有限元法》可作为无线电物理、电磁场与微波技术、电子科学技术、电波传播等专业研究生的教材或教学参考书，也可供有关学科教师、科技工作者、研究生和高年级大学生阅读参考。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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【XH】电磁波时域计算方法：时域有限元法-(下册) 本书简介 《【XH】电磁波时域计算方法-时域有限元法-(下册)》作为一套深入剖析电磁波时域计算方法的系列图书的第二卷，将目光聚焦于时域有限元法（Time Domain Finite Element Method, TDFEM）这一强大而灵活的数值技术。本书在前一卷的基础上，进一步拓展和深化了对时域有限元法在求解复杂电磁问题中的应用，旨在为读者提供一套系统、全面且具备实践指导意义的理论框架与技术指南。 本书的内容设计紧密围绕时域有限元法的核心理论、算法实现以及在各类电磁波传播和散射问题中的具体应用。作者团队凭借深厚的学术造诣和丰富的工程经验，将抽象的数学概念与实际的物理现象巧妙结合，力求使读者能够深刻理解TDFEM的内在机制，并掌握其在工程实践中的运用技巧。 核心内容与章节概述 本书的结构安排清晰，逻辑递进，从基础理论的梳理到高级应用的探讨，层层深入，确保读者能够循序渐进地掌握TDFEM的精髓。 第一部分：时域有限元法基础理论的巩固与拓展 复习与深化：波动方程的时域离散化：在正式展开TDFEM之前，本书将首先回顾和梳理波动方程在时域中的基本形式，以及前一卷中介绍的有限差分等时域离散化方法。在此基础上，本书将深入探讨如何将Maxwell方程组转化为适用于有限元离散的方程形式，例如基于弱形式（variational form）的表述，以及能量守恒原理在时域离散中的体现。这部分内容将为后续的TDFEM理论打下坚实的基础，并帮助读者建立从偏微分方程到数值算法的思维桥梁。 单元与基函数：构建求解域的基础：有限元方法的核心在于将求解域离散为一系列互不重叠的单元（elements），并在每个单元内用一组基函数（basis functions）来逼近未知解。本书将详细介绍在时域有限元方法中常用的单元类型，如三角形、四边形、四面体和六面体等。更重要的是，本书将重点阐述用于构建时域解的基函数，包括但不限于Lagrange基函数、Nedelec基函数（用于电磁场问题的矢量基函数）等。读者将学习如何选择合适的基函数，以保证解的连续性、光滑性和精度，并理解不同类型基函数在处理电磁场边界条件时的优势。 时域积分与数值积分：在有限元方法中，求解过程中通常需要对形函数及其导数在单元上的积分进行计算。本书将详细介绍在时域背景下，如何处理这些积分。这包括对时间积分（例如，通过数值积分方法，如Gauss-Legendre积分）和空间积分的计算。读者将了解常用的数值积分技术，以及它们如何影响计算的精度和效率。特别地，对于时域问题，可能涉及到时间导数的处理，本书将探讨如何将其转化为离散形式，并与单元积分结合。 质量矩阵与刚度矩阵：TDFEM的代数方程组：通过将波动方程在各个单元上进行弱形式的离散化，并利用选定的基函数进行展开，最终会得到一组线性方程组。本书将详细推导TDFEM中的质量矩阵（Mass Matrix）和刚度矩阵（Stiffness Matrix）的构建过程。读者将理解这些矩阵的物理含义，例如质量矩阵代表了单元内电磁能量的分布，而刚度矩阵则反映了电磁场在单元内的相互作用和约束。本书将重点介绍如何利用数值积分技术有效地计算这些矩阵的元素，并展示如何在时域迭代计算中应用它们。 第二部分：时域有限元法的算法实现与优化 时间推进方案：求解时域动态演化：TDFEM的核心在于其能够直接求解时域问题，因此时间推进方案是其关键组成部分。本书将深入探讨多种常用的时间推进方案，包括但不限于： 显式时间推进（Explicit Time Stepping）：例如，基于二阶精度或更高精度的Runge-Kutta方法，或者Crank-Nicolson方法在时间维度上的应用。本书将分析这些方法的稳定性和精度条件，以及它们在处理各种瞬态电磁现象时的适用性。 隐式时间推进（Implicit Time Stepping）：探讨隐式方法的原理，以及它们如何通过求解一个大型的代数方程组来实现时间推进。分析隐式方法在处理大时间步长和解决稳定性问题方面的优势，以及其计算复杂性。 半隐式时间推进（Semi-Implicit Time Stepping）：介绍介于显式和隐式之间的折衷方案，以及它们在效率和稳定性之间取得平衡的策略。 边界条件的处理：封闭求解域的关键：在数值计算中，如何准确地模拟电磁波的传播边界条件至关重要。本书将详细介绍TDFEM在处理各种边界条件时的技术，包括： Perfect Electric Conductor (PEC) 和 Perfect Magnetic Conductor (PMC) 边界：这是最基本的边界条件，本书将阐述如何在TDFEM框架下有效地施加这些边界。 阻抗边界条件 (Impedance Boundary Conditions, IBC)：针对导电材料表面，介绍如何施加IBC，以考虑材料的损耗效应。 吸收边界条件 (Absorbing Boundary Conditions, ABCs) 和完全匹配层 (Perfectly Matched Layers, PMLs)：这是处理开放边界、避免电磁波在计算域边界发生反射的关键技术。本书将详细介绍PMLs在TDFEM中的实现方法，包括其数学模型、在单元积分中的体现以及如何与TDFEM框架相结合，以实现高效的电磁波吸收。 矩阵处理与求解技术：TDFEM在每一步时间推进时，通常需要求解一个线性方程组。本书将探讨高效的矩阵处理和求解技术： 稀疏矩阵的存储与压缩：TDFEM生成的矩阵通常是稀疏的，本书将介绍高效的稀疏矩阵存储格式（如Coordinate List - COO, Compressed Sparse Row - CSR等）以及如何利用这些格式减少内存占用和提高计算速度。 迭代求解器：针对大型稀疏线性方程组，本书将介绍常用的迭代求解器，如共轭梯度法（CG）、广义最小残差法（GMRES）等，并讨论其收敛性和预条件技术。 直接求解器：在某些情况下，也可以考虑直接求解器，本书将简要介绍其原理和适用范围。 并行计算策略：为了应对大规模电磁仿真对计算资源的需求，本书将探讨TDFEM的并行计算策略，包括域分解、消息传递接口（MPI）和图形处理器（GPU）加速等技术，为实现高效的大规模仿真提供指导。 第三部分：时域有限元法在典型电磁问题中的应用 电磁散射与辐射问题：本书将展示TDFEM如何用于分析复杂目标的电磁散射特性，例如雷达散射截面积（RCS）的计算。读者将学习如何构建目标模型，施加入射波，并提取散射场信息。同时，本书也将探讨TDFEM在计算天线辐射方向图、输入阻抗等参数方面的应用。 波导与谐振腔分析：本书将深入研究TDFEM在分析波导结构、谐振腔的传播特性和模式分析中的应用。例如，如何模拟电磁脉冲在波导中的传播，以及如何计算谐振腔的品质因数（Q值）和谐振频率。 微波器件与电路仿真：本书将展示TDFEM在分析微波器件，如滤波器、耦合器、传输线等的设计与仿真中的能力。读者将学习如何建立器件模型，并模拟其时域响应，从而评估其性能。 电磁兼容性（EMC）与电磁干扰（EMI）分析：电磁兼容性问题涉及复杂电磁环境下的电磁波传播与耦合。本书将探讨TDFEM如何用于分析设备间的电磁干扰，以及如何评估结构的电磁屏蔽性能。 电磁脉冲（EMP）与暂态效应分析：对于一些快速变化的电磁现象，如电磁脉冲的耦合和传播，TDFEM能够提供精确的时域响应。本书将介绍TDFEM在分析EMP对结构的影响、以及其他瞬态电磁现象（如雷电耦合）方面的应用。 本书的特点与价值 理论的严谨性与应用的实践性相结合：本书在深入阐述TDFEM理论的同时，高度重视其工程应用。书中提供的算法细节、实现技巧和算例分析，能够帮助读者将理论知识转化为实际的仿真能力。 内容全面且层次分明：从基础理论到高级应用，本书覆盖了TDFEM的各个重要方面，并根据读者的学习曲线精心设计了章节顺序，使得学习过程更加高效。 强调工程实践的指导意义：书中不仅介绍了方法论，还提供了大量的实际算例，涵盖了电磁学领域中的典型问题，帮助读者理解TDFEM在解决实际工程挑战中的强大威力。 面向广泛的读者群体：本书适合作为高等院校相关专业（如电子工程、电磁场与微波技术、通信工程、物理学等）的研究生教材或参考书，同时也为从事电磁场数值计算的工程师和研究人员提供了宝贵的指导。 通过对《【XH】电磁波时域计算方法-时域有限元法-(下册)》的学习，读者将能够深刻理解时域有限元法的数学原理和数值实现方法，掌握利用该方法解决复杂电磁波传播与散射问题的能力，并进一步提升在电磁场仿真领域的专业技能。本书将成为您在探索电磁波时域计算方法领域的一位得力助手。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，我首先感受到的是它在逻辑构建上的严谨性和层次感。不同于市面上一些为了凑字数而强行增加内容的书籍，这里的每一章、每一节都像精密齿轮一样紧密咬合，推动着读者对时域有限元法的理解不断深化。尤其令我印象深刻的是关于时间步进算法的讨论部分，作者没有仅仅停留在经典的诸如Leapfrog或Crank-Nicolson等方法的介绍上，而是深入剖析了它们在处理强非线性或高度色散材料时的局限性，并引入了一些更先进的、针对特定电磁问题的优化算法。这种对细节的深挖，体现了作者深厚的学术功底和丰富的工程实践经验。对于我们这些需要处理瞬态电磁问题，比如雷击、脉冲电磁场等场景的研究人员来说，如何准确捕捉高频瞬态响应是核心难题。这本书通过对数值色散和数值耗散的深入辨析，为我们提供了一套系统的工具箱，帮助我们在保证计算稳定性的前提下，最大限度地还原真实的物理现象。读完相关章节，我感觉自己对数值模拟的“敏感度”一下子提高了，不再盲目相信仿真结果，而是懂得如何从方法论层面去质疑和优化模型。

评分☆☆☆☆☆

作为一名偏向于软件实现与优化的技术人员，我最关注的是算法的可操作性和计算效率。这本书在这方面表现出色，它没有把有限元法停留在纯粹的数学推导层面，而是大量篇幅着墨于如何将这些强大的数学工具“翻译”成高效的计算机代码。例如，在涉及大规模矩阵求解时，书中详细介绍了迭代求解器的选择标准，以及如何利用有限元法的局部支撑特性来构建高效的预条件子。对于涉及大规模非线性问题的求解，书中也给出了基于时间步长控制和残差检测的实用流程。我特别欣赏作者在讲解中对数值稳定性的强调，很多初级教材往往忽略了在有限精度运算下可能出现的“数值灾难”。而这本书则系统地分析了条件数、误差传播路径等问题，并通过具体的例子展示了如何通过选择合适的单元类型（如Conforming vs. Non-conforming elements）来提升整体算法的鲁棒性。这种对工程健壮性的关注，是这本书区别于其他理论书籍的关键点，它教会我们如何构建一个既精确又“抗造”的仿真系统。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格相当内敛而有力，它没有花哨的辞藻，而是专注于知识的有效传递。对于我这种习惯于通过对比阅读不同数值方法的学习者来说，这本书提供的横向对比分析尤其宝贵。比如，在讨论到如何处理二维和三维问题时的计算复杂度差异时，作者清晰地阐述了从一个成熟的二维算法扩展到高维时所面临的网格自由度和自由度激增的挑战，并提出了针对性的降维或稀疏化处理策略。这对于我们团队正在尝试突破三维瞬态全波仿真瓶颈的项目非常有指导意义。此外，书中对于“吸收边界条件”（ABC）的讨论也极其细致，不同于常见的PML（Perfectly Matched Layer）的理论推导，本书似乎更侧重于在实际有限元网格下，如何高效且精确地构建和实现这些吸收边界，包括对吸收层厚度和吸收性能之间的折衷分析。这种务实的态度，使得这本书的实用价值远超一般的理论教材，更像是一本面向工程实现的高级参考手册。

评分☆☆☆☆☆

这本专注于时域有限元法的电磁波计算专著，从我一个初涉该领域的读者的角度来看，简直是本硬核的工程宝典。拿到手里沉甸甸的，光是目录就透露着一股不容小觑的专业气息。我原本以为，有限元法本身已经够抽象了，再加上“时域”和“电磁波”，这简直是数学、物理和工程的“三合一”挑战。然而，作者在讲解过程中，并没有一味地堆砌复杂的数学公式，而是非常注重将理论与实际问题紧密结合。比如，在介绍网格划分和边界条件处理时，书中通过详尽的图示和案例分析，清晰地展示了不同的数值处理策略如何影响最终的仿真精度和计算效率。特别是对于非均匀介质和复杂结构的处理，书中提供的数值技巧和收敛性分析，对于我们实际进行电磁兼容性（EMC）或高频电路设计仿真时，避免出现灾难性的误差至关重要。这本书的价值在于，它不仅仅告诉你“怎么算”，更深入地解释了“为什么这么算”，以及在不同应用场景下，不同数值离散化方法之间的权衡取舍。这本书的阅读体验，更像是在跟随一位经验丰富的大师进行一对一的工程指导，而不是简单地阅读一本教科书。我个人认为，对于希望从基础理论深入到实际工程应用层面的工程师来说，这是一份不可多得的参考资料。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书，我体验到了一种由浅入深、层层递进的学习过程，这种感觉非常难得。它没有把时域有限元法描绘成一个遥不可及的“黑箱技术”，而是像剥洋葱一样，一层层展示了其内部的运作机制。例如，在关于时间离散化方法的选择时，作者不仅比较了不同方法的精度阶数，更重要的是，深入探讨了它们在与空间离散化耦合时产生的交叉耦合效应，以及如何通过更高阶的时间积分方案来缓解这种效应带来的物理失真。对于电磁波在复杂介质中传播这类问题，精确的时间特性至关重要，这本书提供的深度解析，使我能够不再满足于使用预设的求解器参数，而是能根据电磁波的实际频散特性，主动调整时间步进策略以达到最佳的计算效率与精度平衡。总而言之，这本书不仅提供了解决电磁波时域问题的“利器”，更重要的是，它塑造了读者对待数值模拟问题应有的批判性思维和深入探究的习惯，对于提升专业能力是一个极佳的催化剂。