计算力学概述

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计算力学(computational mechanics)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。它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。计算力学是关于应用计算方法研究服从力学原理的现象的学科。在作为除理论科学与实验科学外“第三条路”的计算科学出现之前,计算力学普遍被视作应用力学的子学科,现在则被视作计算科学的子学科。

计算力学是一个交叉学科,它的三个支柱是数学、计算机科学和力学。计算流体力学、计算热力学、计算电磁学和计算固体力学是其主要分支。

在数学领域与计算力学关联最紧密的是偏微分方程、线性代数和数值分析。应用最多的数值方法依次是有限单元法、有限差分法和边界单元法。在固体力学方面有限单元法远比有限差分法应用普遍,然而在流体力学、热力学和电磁学方面,有限差分法几乎同样适用。边界单元法技术一般较不流行,但在特定领域,如音响工程,则有特别应用。

关于计算,计算机编程、算法和平行计算在计算力学中扮演了重要角色。在科学界应用最广泛的编程语言是Fortran,近来C++成为流行,科学计算人群也已慢慢接受C++作为通用语言。而因其以极自然的方式表达数学计算,及其内装的可视化能力,商业语言环境MATLAB也被广泛应用,尤其作为快速应用开发和模型验证。

计算力学已经投入实际运用的一些例子包括车辆碰撞仿真、石油储层建模、生物力学、玻璃制造和半导体建模。

在20世纪,尤其是后半段,计算力学已经对科学与技术影响深远。过去用解析方法难以或不能处理的复杂系统已经用计算力学提供的工具仿真成功了。与量子力学、分子力学和生物力学结合的新模式,将使计算力学准备在未来扮演更重要的角色。