【XH】 電磁波時域計算方法-時域有限元法-(下冊) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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葛德彪，魏兵 著

圖書標籤:

• 電磁場
• 時域有限元
• 計算方法
• 數值分析
• 電磁波
• 工程電磁場
• 有限元法
• 電磁兼容
• 數值計算
• 高等教育

店鋪： 愛尚美潤圖書專營店

齣版社： 西安電子科技大學齣版社

ISBN：9787560635316

商品編碼：29485008753

包裝：平裝

齣版時間：2014-11-01

基本信息

書名：電磁波時域計算方法-時域有限元法-(下冊)

定價：28.00元

作者：葛德彪,魏兵

齣版社：西安電子科技大學齣版社

齣版日期：2014-11-01

ISBN：9787560635316

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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《電磁波時域計算方法（下冊）：時域有限元法》可作為無綫電物理、電磁場與微波技術、電子科學技術、電波傳播等專業研究生的教材或教學參考書，也可供有關學科教師、科技工作者、研究生和高年級大學生閱讀參考。

目錄

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作者介紹

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文摘

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序言

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【XH】電磁波時域計算方法：時域有限元法-(下冊) 本書簡介 《【XH】電磁波時域計算方法-時域有限元法-(下冊)》作為一套深入剖析電磁波時域計算方法的係列圖書的第二捲，將目光聚焦於時域有限元法（Time Domain Finite Element Method, TDFEM）這一強大而靈活的數值技術。本書在前一捲的基礎上，進一步拓展和深化瞭對時域有限元法在求解復雜電磁問題中的應用，旨在為讀者提供一套係統、全麵且具備實踐指導意義的理論框架與技術指南。 本書的內容設計緊密圍繞時域有限元法的核心理論、算法實現以及在各類電磁波傳播和散射問題中的具體應用。作者團隊憑藉深厚的學術造詣和豐富的工程經驗，將抽象的數學概念與實際的物理現象巧妙結閤，力求使讀者能夠深刻理解TDFEM的內在機製，並掌握其在工程實踐中的運用技巧。 核心內容與章節概述 本書的結構安排清晰，邏輯遞進，從基礎理論的梳理到高級應用的探討，層層深入，確保讀者能夠循序漸進地掌握TDFEM的精髓。 第一部分：時域有限元法基礎理論的鞏固與拓展 復習與深化：波動方程的時域離散化：在正式展開TDFEM之前，本書將首先迴顧和梳理波動方程在時域中的基本形式，以及前一捲中介紹的有限差分等時域離散化方法。在此基礎上，本書將深入探討如何將Maxwell方程組轉化為適用於有限元離散的方程形式，例如基於弱形式（variational form）的錶述，以及能量守恒原理在時域離散中的體現。這部分內容將為後續的TDFEM理論打下堅實的基礎，並幫助讀者建立從偏微分方程到數值算法的思維橋梁。 單元與基函數：構建求解域的基礎：有限元方法的核心在於將求解域離散為一係列互不重疊的單元（elements），並在每個單元內用一組基函數（basis functions）來逼近未知解。本書將詳細介紹在時域有限元方法中常用的單元類型，如三角形、四邊形、四麵體和六麵體等。更重要的是，本書將重點闡述用於構建時域解的基函數，包括但不限於Lagrange基函數、Nedelec基函數（用於電磁場問題的矢量基函數）等。讀者將學習如何選擇閤適的基函數，以保證解的連續性、光滑性和精度，並理解不同類型基函數在處理電磁場邊界條件時的優勢。 時域積分與數值積分：在有限元方法中，求解過程中通常需要對形函數及其導數在單元上的積分進行計算。本書將詳細介紹在時域背景下，如何處理這些積分。這包括對時間積分（例如，通過數值積分方法，如Gauss-Legendre積分）和空間積分的計算。讀者將瞭解常用的數值積分技術，以及它們如何影響計算的精度和效率。特彆地，對於時域問題，可能涉及到時間導數的處理，本書將探討如何將其轉化為離散形式，並與單元積分結閤。 質量矩陣與剛度矩陣：TDFEM的代數方程組：通過將波動方程在各個單元上進行弱形式的離散化，並利用選定的基函數進行展開，最終會得到一組綫性方程組。本書將詳細推導TDFEM中的質量矩陣（Mass Matrix）和剛度矩陣（Stiffness Matrix）的構建過程。讀者將理解這些矩陣的物理含義，例如質量矩陣代錶瞭單元內電磁能量的分布，而剛度矩陣則反映瞭電磁場在單元內的相互作用和約束。本書將重點介紹如何利用數值積分技術有效地計算這些矩陣的元素，並展示如何在時域迭代計算中應用它們。 第二部分：時域有限元法的算法實現與優化 時間推進方案：求解時域動態演化：TDFEM的核心在於其能夠直接求解時域問題，因此時間推進方案是其關鍵組成部分。本書將深入探討多種常用的時間推進方案，包括但不限於： 顯式時間推進（Explicit Time Stepping）：例如，基於二階精度或更高精度的Runge-Kutta方法，或者Crank-Nicolson方法在時間維度上的應用。本書將分析這些方法的穩定性和精度條件，以及它們在處理各種瞬態電磁現象時的適用性。 隱式時間推進（Implicit Time Stepping）：探討隱式方法的原理，以及它們如何通過求解一個大型的代數方程組來實現時間推進。分析隱式方法在處理大時間步長和解決穩定性問題方麵的優勢，以及其計算復雜性。 半隱式時間推進（Semi-Implicit Time Stepping）：介紹介於顯式和隱式之間的摺衷方案，以及它們在效率和穩定性之間取得平衡的策略。 邊界條件的處理：封閉求解域的關鍵：在數值計算中，如何準確地模擬電磁波的傳播邊界條件至關重要。本書將詳細介紹TDFEM在處理各種邊界條件時的技術，包括： Perfect Electric Conductor (PEC) 和 Perfect Magnetic Conductor (PMC) 邊界：這是最基本的邊界條件，本書將闡述如何在TDFEM框架下有效地施加這些邊界。 阻抗邊界條件 (Impedance Boundary Conditions, IBC)：針對導電材料錶麵，介紹如何施加IBC，以考慮材料的損耗效應。 吸收邊界條件 (Absorbing Boundary Conditions, ABCs) 和完全匹配層 (Perfectly Matched Layers, PMLs)：這是處理開放邊界、避免電磁波在計算域邊界發生反射的關鍵技術。本書將詳細介紹PMLs在TDFEM中的實現方法，包括其數學模型、在單元積分中的體現以及如何與TDFEM框架相結閤，以實現高效的電磁波吸收。 矩陣處理與求解技術：TDFEM在每一步時間推進時，通常需要求解一個綫性方程組。本書將探討高效的矩陣處理和求解技術： 稀疏矩陣的存儲與壓縮：TDFEM生成的矩陣通常是稀疏的，本書將介紹高效的稀疏矩陣存儲格式（如Coordinate List - COO, Compressed Sparse Row - CSR等）以及如何利用這些格式減少內存占用和提高計算速度。 迭代求解器：針對大型稀疏綫性方程組，本書將介紹常用的迭代求解器，如共軛梯度法（CG）、廣義最小殘差法（GMRES）等，並討論其收斂性和預條件技術。 直接求解器：在某些情況下，也可以考慮直接求解器，本書將簡要介紹其原理和適用範圍。 並行計算策略：為瞭應對大規模電磁仿真對計算資源的需求，本書將探討TDFEM的並行計算策略，包括域分解、消息傳遞接口（MPI）和圖形處理器（GPU）加速等技術，為實現高效的大規模仿真提供指導。 第三部分：時域有限元法在典型電磁問題中的應用 電磁散射與輻射問題：本書將展示TDFEM如何用於分析復雜目標的電磁散射特性，例如雷達散射截麵積（RCS）的計算。讀者將學習如何構建目標模型，施加入射波，並提取散射場信息。同時，本書也將探討TDFEM在計算天綫輻射方嚮圖、輸入阻抗等參數方麵的應用。 波導與諧振腔分析：本書將深入研究TDFEM在分析波導結構、諧振腔的傳播特性和模式分析中的應用。例如，如何模擬電磁脈衝在波導中的傳播，以及如何計算諧振腔的品質因數（Q值）和諧振頻率。 微波器件與電路仿真：本書將展示TDFEM在分析微波器件，如濾波器、耦閤器、傳輸綫等的設計與仿真中的能力。讀者將學習如何建立器件模型，並模擬其時域響應，從而評估其性能。 電磁兼容性（EMC）與電磁乾擾（EMI）分析：電磁兼容性問題涉及復雜電磁環境下的電磁波傳播與耦閤。本書將探討TDFEM如何用於分析設備間的電磁乾擾，以及如何評估結構的電磁屏蔽性能。 電磁脈衝（EMP）與暫態效應分析：對於一些快速變化的電磁現象，如電磁脈衝的耦閤和傳播，TDFEM能夠提供精確的時域響應。本書將介紹TDFEM在分析EMP對結構的影響、以及其他瞬態電磁現象（如雷電耦閤）方麵的應用。 本書的特點與價值 理論的嚴謹性與應用的實踐性相結閤：本書在深入闡述TDFEM理論的同時，高度重視其工程應用。書中提供的算法細節、實現技巧和算例分析，能夠幫助讀者將理論知識轉化為實際的仿真能力。 內容全麵且層次分明：從基礎理論到高級應用，本書覆蓋瞭TDFEM的各個重要方麵，並根據讀者的學習麯綫精心設計瞭章節順序，使得學習過程更加高效。 強調工程實踐的指導意義：書中不僅介紹瞭方法論，還提供瞭大量的實際算例，涵蓋瞭電磁學領域中的典型問題，幫助讀者理解TDFEM在解決實際工程挑戰中的強大威力。 麵嚮廣泛的讀者群體：本書適閤作為高等院校相關專業（如電子工程、電磁場與微波技術、通信工程、物理學等）的研究生教材或參考書，同時也為從事電磁場數值計算的工程師和研究人員提供瞭寶貴的指導。 通過對《【XH】電磁波時域計算方法-時域有限元法-(下冊)》的學習，讀者將能夠深刻理解時域有限元法的數學原理和數值實現方法，掌握利用該方法解決復雜電磁波傳播與散射問題的能力，並進一步提升在電磁場仿真領域的專業技能。本書將成為您在探索電磁波時域計算方法領域的一位得力助手。

評分☆☆☆☆☆

作為一名偏嚮於軟件實現與優化的技術人員，我最關注的是算法的可操作性和計算效率。這本書在這方麵錶現齣色，它沒有把有限元法停留在純粹的數學推導層麵，而是大量篇幅著墨於如何將這些強大的數學工具“翻譯”成高效的計算機代碼。例如，在涉及大規模矩陣求解時，書中詳細介紹瞭迭代求解器的選擇標準，以及如何利用有限元法的局部支撐特性來構建高效的預條件子。對於涉及大規模非綫性問題的求解，書中也給齣瞭基於時間步長控製和殘差檢測的實用流程。我特彆欣賞作者在講解中對數值穩定性的強調，很多初級教材往往忽略瞭在有限精度運算下可能齣現的“數值災難”。而這本書則係統地分析瞭條件數、誤差傳播路徑等問題，並通過具體的例子展示瞭如何通過選擇閤適的單元類型（如Conforming vs. Non-conforming elements）來提升整體算法的魯棒性。這種對工程健壯性的關注，是這本書區彆於其他理論書籍的關鍵點，它教會我們如何構建一個既精確又“抗造”的仿真係統。

評分☆☆☆☆☆

翻開這本書，我首先感受到的是它在邏輯構建上的嚴謹性和層次感。不同於市麵上一些為瞭湊字數而強行增加內容的書籍，這裏的每一章、每一節都像精密齒輪一樣緊密咬閤，推動著讀者對時域有限元法的理解不斷深化。尤其令我印象深刻的是關於時間步進算法的討論部分，作者沒有僅僅停留在經典的諸如Leapfrog或Crank-Nicolson等方法的介紹上，而是深入剖析瞭它們在處理強非綫性或高度色散材料時的局限性，並引入瞭一些更先進的、針對特定電磁問題的優化算法。這種對細節的深挖，體現瞭作者深厚的學術功底和豐富的工程實踐經驗。對於我們這些需要處理瞬態電磁問題，比如雷擊、脈衝電磁場等場景的研究人員來說，如何準確捕捉高頻瞬態響應是核心難題。這本書通過對數值色散和數值耗散的深入辨析，為我們提供瞭一套係統的工具箱，幫助我們在保證計算穩定性的前提下，最大限度地還原真實的物理現象。讀完相關章節，我感覺自己對數值模擬的“敏感度”一下子提高瞭，不再盲目相信仿真結果，而是懂得如何從方法論層麵去質疑和優化模型。

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本書，我體驗到瞭一種由淺入深、層層遞進的學習過程，這種感覺非常難得。它沒有把時域有限元法描繪成一個遙不可及的“黑箱技術”，而是像剝洋蔥一樣，一層層展示瞭其內部的運作機製。例如，在關於時間離散化方法的選擇時，作者不僅比較瞭不同方法的精度階數，更重要的是，深入探討瞭它們在與空間離散化耦閤時産生的交叉耦閤效應，以及如何通過更高階的時間積分方案來緩解這種效應帶來的物理失真。對於電磁波在復雜介質中傳播這類問題，精確的時間特性至關重要，這本書提供的深度解析，使我能夠不再滿足於使用預設的求解器參數，而是能根據電磁波的實際頻散特性，主動調整時間步進策略以達到最佳的計算效率與精度平衡。總而言之，這本書不僅提供瞭解決電磁波時域問題的“利器”，更重要的是，它塑造瞭讀者對待數值模擬問題應有的批判性思維和深入探究的習慣，對於提升專業能力是一個極佳的催化劑。

評分☆☆☆☆☆

這本專注於時域有限元法的電磁波計算專著，從我一個初涉該領域的讀者的角度來看，簡直是本硬核的工程寶典。拿到手裏沉甸甸的，光是目錄就透露著一股不容小覷的專業氣息。我原本以為，有限元法本身已經夠抽象瞭，再加上“時域”和“電磁波”，這簡直是數學、物理和工程的“三閤一”挑戰。然而，作者在講解過程中，並沒有一味地堆砌復雜的數學公式，而是非常注重將理論與實際問題緊密結閤。比如，在介紹網格劃分和邊界條件處理時，書中通過詳盡的圖示和案例分析，清晰地展示瞭不同的數值處理策略如何影響最終的仿真精度和計算效率。特彆是對於非均勻介質和復雜結構的處理，書中提供的數值技巧和收斂性分析，對於我們實際進行電磁兼容性（EMC）或高頻電路設計仿真時，避免齣現災難性的誤差至關重要。這本書的價值在於，它不僅僅告訴你“怎麼算”，更深入地解釋瞭“為什麼這麼算”，以及在不同應用場景下，不同數值離散化方法之間的權衡取捨。這本書的閱讀體驗，更像是在跟隨一位經驗豐富的大師進行一對一的工程指導，而不是簡單地閱讀一本教科書。我個人認為，對於希望從基礎理論深入到實際工程應用層麵的工程師來說，這是一份不可多得的參考資料。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事風格相當內斂而有力，它沒有花哨的辭藻，而是專注於知識的有效傳遞。對於我這種習慣於通過對比閱讀不同數值方法的學習者來說，這本書提供的橫嚮對比分析尤其寶貴。比如，在討論到如何處理二維和三維問題時的計算復雜度差異時，作者清晰地闡述瞭從一個成熟的二維算法擴展到高維時所麵臨的網格自由度和自由度激增的挑戰，並提齣瞭針對性的降維或稀疏化處理策略。這對於我們團隊正在嘗試突破三維瞬態全波仿真瓶頸的項目非常有指導意義。此外，書中對於“吸收邊界條件”（ABC）的討論也極其細緻，不同於常見的PML（Perfectly Matched Layer）的理論推導，本書似乎更側重於在實際有限元網格下，如何高效且精確地構建和實現這些吸收邊界，包括對吸收層厚度和吸收性能之間的摺衷分析。這種務實的態度，使得這本書的實用價值遠超一般的理論教材，更像是一本麵嚮工程實現的高級參考手冊。