Boundary Element Methods (BEM) are essential in contemporary numerical computations within applied and engineering sciences. They serve as effective tools for analyzing various physical phenomena that can be represented mathematically through partial differential equations, making them valuable for numerical studies across diverse applications.
This book presents a unified theory of the Finite Element Method and the Boundary Element Method for a numerical solution of second order elliptic boundary value problems. This includes the solvability, stability, and error analysis as well as efficient methods to solve the resulting linear systems. Applications are the potential equation, the system of linear elastostatics and the Stokes system. While there are textbooks on the finite element method, this is one of the first books on Theory of Boundary Element Methods. It is suitable for self study and exercises are included.
Domain decomposition methods are a well established tool for an efficient numerical solution of partial differential equations, in particular for the coupling of different model equations and of different discretization methods. Based on the approximate solution of local boundary value problems either by finite or boundary element methods, the global problem is reduced to an operator equation on the skeleton of the domain decomposition. Different variational formulations then lead to hybrid domain decomposition methods.
Algorithmen und Anwendungen
Die Simulation technischer Prozesse erfordert in der Regel die Lösung von linearen Gleichungssystemen großer Dimension. Hierfür werden moderne vorkonditionierte Iterationsverfahren (z. B. CG, GMRES, BiCGStab) hergeleitet und die zur Realisierung notwendigen Algorithmen beschrieben. Für Systeme mit strukturierten Matrizen werden effiziente direkte Lösungsverfahren angegeben. Numerische Beispiele für praktische Problemstellungen illustrieren die Effizienz der vorgestellten Verfahren.
Finite Elemente und Randelemente
Für die näherungsweise Lösung von Randwertproblemen zweiter Ordnung wird eine einheitliche Theorie der Finiten Elemente Methode und der Randelementmethode präsentiert. Neben der Stabilitäts- und Fehleranalysis wird vor allem auf effiziente Lösungsverfahren eingegangen. Für die Diskretisierung der auftretenden Randintegraloperatoren werden schnelle Randelementmethoden (Wavelets, Multipol, algebraische Techniken) mit der Darstellung durch partielle Integration verknüpft. Durch die Kopplung von FEM und BEM mittels Gebietszerlegungsmethoden können gekoppelte Randwertprobleme in komplexen Strukturen behandelt werden. Numerische Beispiele illustrieren die theoretischen Aussagen.