约束力学系统引入待定乘子的两种方式

讨论约束力学系统中引入待定乘子两种不同的途径及其对应的物理意义.一种方式引入待定乘子是处理非独立坐标变更,乘子与约束反力相关;另一种方式是变分原理条件极值要求,乘子与系统的拉格朗日函数相关.对完整系统由两种途径导出的带乘子运动方程是相同的,但是对非完整系统则分别导出两种不同的运动方程:罗斯方程和维科(Vacco)方程.     

一种不含待定乘子的理想约束系统的动力学建模

为了克服应用罗斯方法所建立的理想约束系统的动力学方程中含有待定乘子以及方程的数目和未知变量的个数都比较多的这种缺陷,本文从广义坐标形式的动力学普遍方程出发,并结合系统的约束方程,推导出一种不含待定乘子的理想约束系统的动力学方程组,并给出了应用该方程组完成理想约束系统动力学建模的具体步骤。本文所建立的理想约束系统的动力学方程组相对于应用罗斯方法所建立的动力学方程组,具有不含待定乘子且方程和未知变量的个数都比较少的优点。文中通过两个动力学建模的实例证实了上述优点。     

阶跃函数高精度逼近的结构拓扑优化方法

为了提高ICM(Independent Continuous and Mapping,即独立、连续及映射)方法求解结构拓扑优化问题的效率,本文改进了阶跃函数及其反函数的近似逼近函数——磨光函数和过滤函数。首先,分别对ICM方法的磨光函数和过滤函数按其近似性质进行了分类,分别提出了左磨函数及上磨函数和快滤函数、慢滤函数诸概念。然后得到了区分左磨函数和上磨函数、快滤函数和慢滤函数的两个判别定理;并得到了上磨函数、快滤函数、左磨函数及慢滤函数的对应定理。进而给出了磨光函数和过滤函数的使用准则及构造方法。采用高精度逼近阶跃函数的指数类函数做左磨函数,建立近似程度更高的结构拓扑优化模型。上述策略带来了模型非线性程度的提高,增加了求解难度。为此,针对该模型给出了精确对偶映射下的序列二次近似解法。最后,以位移约束下结构重量最轻化问题为例,叙述了相应的算法。与以往采用幂函数做磨光函数时算例结果的比较表明,该模型的提法合理,算法更加有效。由于提高了对阶跃函数及其反函数的逼近程度,从而显著减少了优化迭代的次数。     

多边形有限单元形函数的比较研究

多边形有限单元形函数有wachspress插值、Laplace插值和平均值插值三种类型.本文对三种多边形有限单元形函数的性质作了比较研究,给出了三种形函数各自的优点和局限性.Waclaspress和Laplace形函数是有理函数形式,而平均值形函数是无理函数形式.三种形函数均满足单位分解性、线性完备性,且在单元边界上呈线性.在三角形单元上,它们都等价于三角形面积坐标插值.在矩形单元上,Wachspress和Laplace形函数等价于双线性多项式插值形函数.Wachspress和平均值形函数适用于任意凸多边形单元,Laplace形函数更适用于圆内接多边形单元.Wachspress形函数不能推广到含有边节点的单元,平均值形函数可以直接推广到含有边节点的单元.数值试验,验证了本文理论分析的结论.     

结构拓扑优化中不同过滤函数间关系的探讨

为了确定结构拓扑优化中不同过滤函数间的关系, 深入研究了ICM方法中的 过滤函数, 针对幂函数形式的过滤函数, 利用均匀化方法的思想, 结合最小二乘法, 确定了 单元重量和单元刚度的过滤函数, 然后采用数值模拟的方法, 探讨了重量过滤函数和刚度过 滤函数之间的关系, 最后提出过滤函数幂指数系数的概念, 得出刚度过滤函数随重量过滤函 数变化的规律.     

随机过程的随机谐和函数表达

研究了随机过程的随机谐和函数表达及其性质. 首先证明了当随机谐和函数的频率分布与目标功率谱密度函数形状一致时, 随机谐和函数过程的功率谱密度函数等于目标功率谱密度函数. 进而, 证明了随机谐和函数过程的渐进正态性, 讨论了趋向正态分布的速率, 并采用Pearson分布研究了一维概率密度函数的性质. 与已有的随机过程谱表达方式相比, 采用随机谐和函数表达, 仅需要很少的展开项数, 即可获得精确的目标功率谱密度函数, 从而大大降低了与之相关的随机动力系统分析的难度. 最后, 以多自由度体系的线性和非线性响应分析为例, 验证了随机谐和函数模型的有效性和优越性.      

一种改进的无单元方法

使用 1阶或 1阶以上最小滑动二乘法 ( MLS)形函数的无网格伽辽金法 ( EFGM) ,它们的主要缺点是形函数构造复杂、计算费用十分昂贵。本文提出了一种改进的无单元方法 ( IEFM) ,它通过采用 Shepard形函数 ( 0阶 MLS形函数 )对结点的覆盖位移函数加权求和来简化整体近似位移函数的构造 ,且能够避免 EFGM里求解结点形函数时矩阵的求逆及相乘计算。文中的数值算例表明 ,这种改进的 IEFM法收敛快、精度高 ,与标准的EFGM相比其计算时间得到了大幅度的减少     

结构可靠度的虚拟变量算法

从与结构失效函数有关随机变量均值和协方差的确定性特征出发 ,提出了准确计算结构可靠度的一种虚拟变量算法。使用虚拟变量算法时 ,只需给出失效函数就能正确算出结构的可靠度。由于无需人工确定失效函数的偏导数 ,计算较为简单 ,当失效函数形式复杂、与失效函数有关随机变量较多时 ,可使计算效率得到显著提高     

弹性力学空间轴对称问题的一种复变函数法

本文引用了复变量广义解析函数概念,证明了空间轴对称问题的拉甫应力函数可以用两个适当选择的广义解析函数表示,据此即可导出应力分量、位移分量及边界条件的复变函数表示式,进而就可利用复变函数法求解空间轴对称问题。本文用这种方法求解了含有一个球形空腔的圆轴在两端受拉时的解答,表明了以此法分析求解空间轴对称问题的可能性。     

滑动最小二乘插值函数在板弯曲问题上的应用

 利用滑动最小二乘插值函数作为加权残值法的试函数，分析了 该试函数的拟合特性，对试函数中的基函数以及权函数的选取提出了 建议；采用最小二乘配点法求出试函数中的系数，进而可得到定解问 题的近似解；利用该试函数对薄板的挠曲、中厚板的弯曲两个例子进 行了数值计算，并与理论结果或其它数值结果进行对比，结果表明， 该试函数适用于多种边值问题，且精度高. 该法简化了选择试函数的 过程，尤其适用于工程中的各种数值计算.     

离散变量优化设计的方向差商法

本文根据离散变量的特点，提出了方向差商的概念，并且针对一类目标函数、约束函数具有单调性的优化设计问题，发展了一种在可行集外由目标函数最小的点出发，沿目标函数增加最小、约束函数降低最多的方向逐步搜索，逐步靠近可行集边界的方向差商法。并将此方法应用于离散变量结构优化设计中。     

基于Legendre函数的超高阶次地磁场建模方法

Legendre函数是超高阶地磁场模型球谐展开的重要组成部分,是解决高纬度地区数据溢出问题的关键。针对Legendre函数在超高阶地磁场建模中的解算问题,从Legendre函数的递推方法出发,优化了Legendre函数的解算过程,提高了效率和精度,解决了数据溢出问题,并给出了Legendre函数的递推过程、函数值和精度检验值。仿真结果表明,该方法提高了磁场模型数值稳定性及精度,为建立更高阶次的地磁场模型和地磁导航基准图的制备提供理论依据。通过将模型计算的各磁场要素与EMM2010模型相比较,验证了方法的有效性,并生成了全球的地磁图。     

非线性函数参数的线性化率定方法

非线性函数参数率定基本上都是以误差平方和目标函数为信息依据的,其过程通常包括误差平方和目标函数构建和一阶函数求导为零得其参数优值解这两步操作.本文通过研究发现以上两步操作给非线性函数参数增加了不相关的局部极优值,提出了非线性函数参数的线性化率定方法.该方法对非线性函数以参数为自变量求导,再通过导函数差分线性化,并对线性化的参数用误差平方和目标函数进行率定,然后逐步迫近非线性函数参数的最优值.本文在理论上证明了该方法的收敛性,检验了此方法的合理性、优点和效果,解决了非线性函数参数以误差平方和为目标函数增加不相关的局部极优值的理论性问题,而且该方法的实用性和效果都比较好.     

实际数据处理方法的讨论及应用

本文通过数理统计方法,将随机性较大的椎间盘松弛蠕变实验数据加以处理,运用均值、方差、置信度、置信区间的概念,得到了医学及工程中可应用的区间估计。在求时间与松弛、蠕变量之间函数关系时,运用Lagrange二次插值函数求得各段函数,精度比数据拟合方法有所提高,避免了处理方法中假定函数这一困难,最后通过对颈部C5-C6椎间盘的实验数据处理,得出结果。     

包含主应力方向效应的Hosford正交材料屈服函数

对于描述正交金属板材屈服和塑性变形行为而言,Hosford比Hill屈服函数更具有适应性。但Hosford屈服函数要求三个主应力方向与板材的轧制方向（RD）、横向（TD）和法向（ND）一致,导致其使用不便。因此本文引入方向函数,将方向函数泰勒展开到方向的六次项,提出新的包含主应力方向效应的广义Hosford正交金属材料屈服函数。当时n=2,广义Hosford屈服函数可退化成Hill屈服函数。实验证明,利用包含主应力方向效应的Hosford正交材料屈服函数计算出的值、值和屈服应力与实验结果都高度吻合。此屈服函数包含11个参数,形式较简便,更具一般性,为研究金属材料的力学性能奠定了理论基础。     

数值流形方法中线性相关性问题的研究

数值流形方法的形函数由覆盖函数和局部近似函数组成,形函数之间往往存在线性相关性。在现有研究成果的基础上对形函数线性相关性进行了分析,指出线性相关性的根源在于覆盖函数具有单位分解特性,并与单元形状有关。研究了线性相关性与整体刚度矩阵奇异性以及求解收敛性之间的关系,指出形函数线性相关不一定导致整体刚度矩阵奇异。对8结点六面体高阶流形单元的局部近似函数及单元形状与线性相关性之间的关系进行了分析,构造出一种完全线性独立的流形单元。通过算例分析了8结点六面体流形单元局部近似函数中一次完全多项式对求解精度和收敛性的影响,发现采用一次完全多项式局部近似函数的形函数虽然线性相关,但求解仍然收敛,且精度高于线性无关的单元。     

基于蛋白质晶体结构的残基相互作用势能函数研究进展

阐述了基于蛋白质晶体结构的残基势能函数的研究进展, 从平均作用力场势能函数的基本物理假设、势能函数性质和影响势能函数准确性的因素3个方面出发, 分析了导出残基相互作用势能的方法, 给出了残基对之间和3个残基之间的平均作用力势能函数计算过程, 并介绍了残基势能函数在蛋白质结构研究领域的应用. 基于蛋白质晶体结构的残基相互作用势能研究表明, 蛋白质结构稳定是多种作用力相互竞争、相互协调进而达到平衡状态的结果. 未来对于残基团簇及其相互作用网络能量分布的研究, 能够建立介于原子尺度和蛋白质整体结构尺度之间的作用力物理模型, 为蛋白质结构宏观尺度研究提供重要的微观力学机理.      

基于主动学习Kriging模型的可靠性分析

本文采用Kriging模型代替结构真实功能函数,引入主动学习函数,序列选择最佳样本点,在每次迭代中加入最佳样本点更新Kriging模型。与直接的蒙特卡洛方法相比,主动学习Kriging模型仅需要少量的结构分析就能够得到精度较高的可靠度结果,适用于实际工程具有隐式功能函数的结构可靠性分析。本文通过三个数学算例,从最佳样本点的分布情况、功能函数的拟合程度及可靠度计算结果出发对四种学习函数进行对比研究,最后对具有隐式功能函数的悬臂板进行可靠度分析。结果表明,主动学习函数的引入,合理选择了Kriging模型所需的样本,提高了计算效率,同时,学习函数的选择对结构可靠性分析结果也存在影响。     

基于非标准Lagrange函数的动力学系统的Routh降阶法

研究基于指数Lagrange函数与Lagrange函数幂函数两种非标准Lagrange函数的动力学系统的循环积分与Routh降阶法.首先,给出了循环坐标的定义,并利用循环坐标与基于非标准Lagrange函数的系统的Lagrange方程,得到了循环积分的形式;其次,将Routh降阶法加以推广,建立了基于非标准Lagrange函数的动力学系统的Routh方程,并举例说明结果的应用.     

基于拓扑描述函数的特定性能材料设计方法

研究了拓扑描述函数在材料设计中的应用,给出了一种基于拓扑描述函数的特定性能材料设计问题的提法和求解方法.将拓扑描述函数表示成含参数的基函数之和,将材料微结构拓扑优化问题转化为设计基函数描述参数的尺寸优化问题,使问题求解更方便.基于拓扑描述函数的方法可以准确确定设计域上任意点的材料分布,避免了变密度法常出现的棋盘效应、设计变量和有限元单元相关的缺点;与传统的水平集方法相比,其优化模型可以利用现有的优化方法求解,避免了差分法求偏微分方程.具有正泊松比和负泊松比的特定弹性性能材料的设计算例,说明了基于拓扑描述函数的材料设计方法的有效性.