ebook img

The boundary element method. Volume 1, Applications in thermo-fluids and acoustics PDF

201 Pages·2002·5.25 MB·English
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview The boundary element method. Volume 1, Applications in thermo-fluids and acoustics

Cover Page i  The Boundary Element Method Page ii  To our wives:   Shayla Ali and Lalitha Rajakumar  and our children:   Aleef & Teeasha Ali, and Vinod & Anita Rajakumar Page iii  The Boundary Element Method  Applications in Sound and Vibration  Ashraf Ali  Engineering Solution and Support (ESAS), Bellevue, Washington (Formerly with Ansys, Inc., Canonsburg, Pennsylvania)  Charles Rajakumar  Ansys, Inc., Canonsburg, Pennsylvania    A.A.BALKEMA PUBLISHERS  LISSE/ABINGDON/EXTON (PA)/TOKYO Page iv  Library of Congress Cataloging­in­Publication Data  A Catalogue record for this book is available from the Library of Congress  Cover design: Miranda Bourgonjen  Copyright © 2004 Taylor & Francis Group plc, London, UK  All rights reserved. No part of this publication or the information contained herein may   be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means,   electronic, mechanical, by photocopying, recording or otherwise, without written prior   permission from the publishers.  Although all care is taken to ensure the integrity and quality of this publication and   the information herein, no responsibility is assumed by the publishers nor the author   for any damage to property or persons as a result of operation or use of this publication   and/or the information contained herein.  Published by: A.A.Balkema Publishers (Leiden, The Netherlands),   a member of Taylor & Francis Group plc.   http://balkema.tandf.co.uk and www.tandf.co.uk  This edition published in the Taylor & Francis e­Library, 2005.    To purchase your own copy of this or any of Taylor & Francis or Routledge’s collection of thousands of eBooks please go to www.eBookstore.tandf.co.uk.  ISBN 0­203­02446­X Master e­book ISBN  ISBN 90 5809 657 2 (Print Edition) Page v  Contents     Preface    vii  Acknowledgements    ix  Abbreviations    xi   1 Introduction    1     1.1  Why the boundary element method?    1     1.2  Typical applications of the boundary element method    2     1.3  Emergence of the boundary element method    3     1.4  History of boundary element eigenformulations    6     1.5  Organization of the book    9 2 Boundary Element Method Fundamentals    11     2.1  Introduction    11     2.2  Direct method: weighted residuals    12     2.3  Examples    19     2.4  Direct method: Green’s integral theorem    21     2.5  Indirect method    23     2.6  Body forces    26 3 Isoparametric Boundary Elements    31     3.1  Introduction    31     3.2  Two­dimensional linear boundary elements    31     3.3  Higher­order elements in 2­D    34     3.4  Boundary elements in 3­D    36     3.5  Examples    42 4 Anisotropy, Axisymmetry and Zoning    49     4.1  Introduction    49     4.2  Anisotropic materials    49     4.3  Axisymmetric problems    51     4.4  Inhomogeneous regions and zoning    54 5 Time­Harmonic Analysis in Acoustics and Elasticity    57     5.1  Introduction    57     5.2  Acoustics    57     5.3  Elasticity    62 6 Dynamic Analysis: Acoustics and Elasticity    65     6.1  Introduction    65     6.2  Eigenvalue problem in acoustics    71     6.3  Eigenvalue problem in elasticity    72     6.4  Characteristic equation for eigenvalues    72 Page vi  7 Basics of Algebraic Eigenvalue Problem Formulation    77     7.1  Introduction    77     7.2  Development of BE algebraic eigenvalue problem    77     7.3  Formulation of Internal Cell Method    78     7.4  Example of internal cell method: rectangular plate vibration    80 8 Algebraic Eigenvalue Problem in Boundary Elements    87     8.1  Introduction    87     8.2  Eigenproblem using dual reciprocity method in acoustics    87     8.3  Eigenproblem using particular integral method in elasticity    96 9 Advanced Concepts in Boundary Element Algebraic Eigenproblem    107     9.1  Introduction    107     9.2  Algebraic eigenvalue formulation using fictitious function method    108     9.3  Example problems using fictitious function method    111     9.4  Effect of internal collocation points on eigensolutions    112     9.5  Polynomial­based particular integral method    116     9.6  Multiple reciprocity method (MRM)    121     9.7  Series expansion methods (SEM) with matrix augmentation    127 10 Acoustic Fluid­Structure Interaction Problems    129     10.1  Introduction    129     10.2  Boundary element­finite element coupled eigenanalysis of fluid­structure system    130     10.3  Acoustic eigenproblem for enclosures with dissipative boundaries    137     10.4  Examples of acoustic eigenproblem with sound absorption    141 11 Solution Methods of Eigenvalue Problems    149     11.1  Introduction    149     11.2  Lanczos­based subspace approach    149     11.3  Lanczos recursion method    150     11.4  Example problems    157     11.5  Summary statements on the non­symmetric Lanczos eigensolver    160     11.6  Damped system eigenvalue problem solution    161     11.7  Lanczos two­sided recursion for the quadratic eigenvalue problem    162     11.8  Summary statements on eigenvalue computation algorithms    170 12 Discussion and Future Research    171     12.1  Discussion on boundary element eigenvalue methodologies    171     12.2  Comparison of eigenanalysis using BEM and FEM    172     12.3  Topics not covered in the book    173     12.4  Future research on BEM eigenanalysis    174    References    177  Index    187 Page vii  Preface  The boundary element method is a powerful discretization tool in computational mechanics. However, the eigenvalue analysis procedures within the boundary element  discretization process are still in a developing stage. To our knowledge, this is the first­ever book dedicated entirely to the subject of boundary element eigenvalue  formulations. All the techniques of boundary element eigenvalue analysis currently available in the literature are reviewed and presented in the book. For each technique,  a detailed theoretical formulation is presented, followed by numerical illustrations. The advantages and disadvantages of each method in terms of computational  efficiencies, generalities, and formulation difficulties are also presented.  The book includes detailed formulations on linear and quadratic eigensolvers for unsymmetric matrices since boundary element matrices are naturally unsymmetric.  The book also sheds light on the ongoing debate on the choice of technique, the relative merits of eigenanalyses based on the boundary element and finite element  methods, the unresolved issues that require immediate attention and the future direction of research in this area.  The mode­frequency analyses of vibrating structures and the computation of resonant frequencies of acoustical cavities are now routinely performed in the industry.  The eigenanalysis based on the boundary element method holds promise of becoming a user­friendly and popular procedure with practicing engineers simply because  here it can avoid the tedious and time­consuming process of creating an adequate mesh for their models. Some applications include:  Elasticity Area:  1. Machines (automobiles, aircraft, etc.);  2. Machine parts such as connectors, shafts, gears, fasteners such as screws, pins, etc;  3. Other equipment that is subjected to vibrations during normal operation;  4. Structures (bridges, buildings, etc.).  Acoustics Area:  1. Acoustic enclosures such as auditoriums, theaters, passenger­car and train cabins, etc.;  2. Hi­Fi sound equipment such as loudspeakers;  3. Fluid­filled structures such as oil tankers;  4. Noise control of structures such as automobile mufflers; aircraft fuselages, rooms housing vibrating machines, etc.  Furthermore, eigenvalue analysis forms the basis for subsequent mode­based dynamic analyses, such as mode superposition transient analysis, spectrum analysis, and  random vibration analysis. Page viii  Before the advent of practical numerical methods like the finite element method, engineers conducted experiments on prototypes for determining natural frequencies.  Starting in the 1970s, computer programs based on the finite element method were available. Although the finite element method is a versatile computational technique,  it requires a much longer data­preparation time than the boundary element method. Specifically, engineers are forced to spend a significant amount of time in generating  an adequate mesh for the model problem. Despite the introduction of a few automatic mesh­generation algorithms in the commercial finite element programs, engineers  still continue to struggle in creating meshes of acceptable quality.  The boundary element method, on the other hand, is a boundary technique where only the boundary of the domain is required to be meshed, thereby simplifying data  preparation efforts significantly. Among other benefits, the overall physical time spent by engineers to perform the analysis is reduced significantly, and the analysis  process becomes more user­friendly.  The book presents the eigenvalue analysis techniques that use the boundary element method. The boundary element method does not easily lend itself to eigenvalue  formulations, especially algebraic eigenvalue formulations. Consequently, publications on boundary element algebraic eigenvalue formulations did not come out until the  mid­1980s, although the boundary element method has been around since the late 1960s. However, non­algebraic boundary element eigenvalue analysis, which is not a  practical analysis technique, appeared in the literature of the mid­1970s. For historical reasons, the book presents some materials related to the non­algebraic boundary  element eigenvalue analysis techniques.  Three general purpose boundary element computer programs (GPBEST, BEASY, and SYSNOISE) offer boundary element eigenvalue analysis capabilities. This  book will hopefully satisfy the needs of engineers to acquire a detailed knowledge on the subject. The capabilities of the commercial programs, such as those  mentioned, may be enhanced through the implementation of some of the different methods of performing boundary element eigenvalue analysis presented in the book.  This book should also encourage the development of new and more powerful computer programs on boundary element eigenvalue analysis.  The book can be used in the graduate classes on “computational mechanics” and “boundary element methods”. The researchers in universities and industries,  practicing engineers, mathematicians, computer scientists, physicists, chemists and chemical engineers, and researchers in bio­medical fields can also use it as a  reference.  Ashraf Ali   Seattle, Washington  Charles Rajakumar   Pittsburgh, Pennsylvania Page ix  Acknowledgements  We are indebted to Ansys, Inc., Canonsburg, Pennsylvania for getting us interested in the subject of boundary element method. We are also grateful to Sidney  Solomon of The Solomon Press of New York in giving us encouragement and valuable suggestions in the preparation and completion of the book.

See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.