非线性动力学方程的精细积分算法

介绍用精细积分法求解动力学问题的原则和方法,通过实例证明用这种方法求非线性问题数值解的有效性．     

在哈密顿体系下水容器内非线性浅水波理论和实验方法

本文通过引进哈密顿体系非线性浅水波理论,建立一套数值计算方法,并设计一套实验方案和装置,将理论与实验结果相互验证.研究水容器中的水在倾斜和振动过程中的非线性浅水波表明,实验与理论结果基本吻合.同时揭示了该类问题非线性浅水波波动的一些机理,从而也为解决工程实际问题提供可靠的依据.     

非线性动力学积分方程分块积分解法

对于非线性动力学方程组分块地应用精细积分算法,使其化成积分方程表达式,求解的表达式中具有相对低阶的转换矩阵,从而使精细积分更适用于多自由度、强非线性、变系数、非保守系统,针对积分方程提出了一个显示预测-校正的单步四阶精度自起步的精细积分算法。算例表明本方法是有效的。     

非线性动力学问题的一个显式精细积分算法

对非线性动力学问题,给出了一个显式的精细积分算法,适用于多自由度,强非线性,非保守系统,算例表明本方法精度高,计算量较少。     

拟哈密顿系统非线性随机最优控制

主要介绍近十几年来拟哈密顿系统非线性随机最优控制理论方法及其应用的研究成果, 包括基于拟哈密顿系统随机平均法与随机动态规划原理的非线性随机最优控制基本策略, 即响应极小化控制、随机稳定化、首次穿越损坏最小化控制、以概率密度为目标的控制, 为将它们应用于工程实际而作的部分可观测系统最优控制、有界控制、时滞控制、半主动控制、极小极大控制的进一步研究, 以及综合考虑这些实际问题的非线性随机最优控制的综合策略, 非线性随机最优控制在滞迟系统、分数维系统等中的若干应用, 介绍与这些研究有关的背景, 并指出今后有待进一步研究的问题.     

精细积分的非线性动力学积分方程及其解法

给出了非线性动力学积分方程的表达式,针对该方程提出了一个显式预测-校正的单步四阶精度的精细积分算法,适用于多自由度、强非线性,非保守系统.算例表明该方法精度高、计算量较少.     

哈密顿体系与弹性楔体问题

将哈密体系引入到级坐标下的弹性力学楔体问题,利用该体系辛空间的性质,将问题化为本征值和本征向量求解上,得到了完备的解空间,从而改变了弹性力学传统的拉格朗日体系以应力函数为特征的半逆法的讨论去解决该类问题的思路,给出了一条求解该类问题的直接法。     

含裂纹纳米板振动问题的哈密顿体系方法

基于裂纹处范德华力效应,采用非局部弹性理论构造纳米板模型,并通过导入哈密顿体系建立含裂纹纳米板振动问题的对偶正则控制方程组。在全状态向量表示的哈密顿体系下,将含裂纹纳米板的固有频率和振型问题归结为广义辛本征值和本征解问题。利用哈密顿体系具有的辛共轭正交关系,得到问题解的级数解析表达式。结合边界条件,得到固有频率与辛本征值的代数方程关系式,进而直接给出固有频率的表达式。数值结果表明,非局部尺寸参数和裂纹长度对纳米板振动的各阶固有频率有直接的影响。对比表明,辛方法是准确且可靠的,可为工程应用提供依据。     

空腔内粘性流问题与哈密顿体系方法

以双板驱动空腔粘性流问题为研究对象,根据其特点建立了哈密顿体系下的对偶正则方程,将问题归结为辛体系下的本征值问题.利用辛本征解空间的完备性、正交性和展开理论,形成一套封闭的求解问题方法.算例的数值结果揭示了一些空腔流动的特点.同时这种方法也为研究其他问题提供了一条思路.     

非线性最优控制系统的时程精细计算研究

针对非线性最优控制问题 ,通过一阶 Taylor级数展开 ,得到线性化的动力学方程 ,进而在方程原变量的基础上 ,引入对偶向量 (Lagrange乘子向量 ) ,将动力学方程从 Lagrange体系引入到了 Hamilton体系 ,在全状态下 ,从一个新的角度对非线性最优控制问题进行了描述 ,进一步基于时程精细积分理论 ,对其方程进行了有效的精细求解 ,并通过算例说明了文中方法的有效性     

TIME PRECISE INTEGRATION METHOD FOR CONSTRAINED NONLINEAR CONTROL SYSTEM

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｉｍｅｐｒｅｃｉｓｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｗａｙｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍｓ[1].Ｔｈｅａｂｏｖｅｍｅｔｈｏｄ ,ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌ,ｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒａ…     

Energy method for computing periodic solutions of strongly nonlinear systems (I) — Autonomous systems

In this paper a new method for solving for the periodic solution (limit cycle) of a strongly nonlinear system is suggested. Using this method not only the existence, stability and number of periodic solutions can be decided, but at the same time the approximate expressions for these periodic solutions can also be obtained. The proof of this method is given as well.The project is supported by the National Natural Science Foundation of China.     

一类非线性周期系统响应的精细积分法

对于一类非线性周期／变系数微分方程,提出基于精细积分法的数值解法,处理非线性周期／变系数微分方程系统的响应问题,其积分策略是：采用精细积分格式处理常系数部分;采用线性插值格式处理非线性周期／变系数部分,既继承精细积分方程高度准确的特点,又保证足够的精度与较小的计算量。通过数值算例,与以往与用的微分方程直接数值积分法（如预估－校正哈明法）求得的解加以比较表明,对于给定的精度要求,精细积分法更经济有效     

AN IMPLICIT SERIES PRECISE INTEGRATION ALGORITHM FOR STRUCTURAL NONLINEAR DYNAMIC EQUATIONS

Nonlinear dynamic equations can be solved accurately using a precise integration method. Some algorithms exist, but the inversion of a matrix must be calculated for these algorithms. If the inversion of the matrix doesn‘t exist or isn‘t stable, the precision and stability of the algorithms will be affected. An explicit series solution of the state equation has been presented. The solution avoids calculating the inversion of a matrix and its precision can be easily controlled. In this paper, an implicit series solution of nonlinear dynamic equations is presented.The algorithm is more precise and stable than the explicit series solution and isn‘t sensitive to the time-step. Finally, a numerical example is presented to demonstrate the effectiveness of the algorithm.     

受非线性支承的板状梁结构流致振动研究

研究了受非线性支承的板状梁结构流致振动问题,采用二维不可压缩粘性流体模型,建立了板状梁的运动微分方程;研究非线性支承情况下的流体流速对振幅的影响,并对计算结果进行了分析,结果表明在非线性支承下板状梁结构在流体动压力作用下存在着复杂的动力学行为,像发生极限环颤振和屈曲等。     

精细辛有限元方法及其相位误差研究

哈密顿系统是一类重要的动力系统,针对哈密顿系统,设计出多类辛方法:SRK、SPRK、辛多步法、生成函数法等.长久以来数值方法在求解哈密顿系统过程中辛特性和保能量特性不能得到同时满足,近年来提出的有限元方法,对于线性系统具有保辛和保能量的优良特性.但是,以上方法都存在相位漂移(轨道偏离)现象,长时间仿真,计算效果会大打折扣.提出精细辛有限元方法(HPD-FEM)求解哈密顿系统,该方法继承时间有限元方法求解哈密顿系统所具有的保哈密顿系统的辛结构和哈密顿函数守恒性的优良特性,同时,通过精细化时间步长极大地减小了时间有限元方法的相位误差.HPD-FEM相较与针对相位误差专门设计的计算格式FSJS、RKN以及SRPK方法具有更好的纠正效果,几乎达到机器精度,误差为O(10^-13),同时,HPD-FEM克服了FSJS、RKN和SPRK方法不能保证哈密顿函数守恒的缺点.对于高低混频系统和刚性系统,常规算法很难在较大步长下,同时实现对高低频精确仿真,HPD-FEM通过精细计算时间步长,在大步长情况下,实现高低混频的精确仿真.HPD-FEM方法在计算过程中精细方法没有额外增加计算量,计算效率高.数值结果显示本文提出的方法切实有效.     

非线性结构动力方程的自适应步长数值算法

基于Runge-Kutta法实现对时间步长的 自适应选择,研究提高非线性结构动力方程的计算精度.利用Runge-Kutta公式的局部截断误差,得出误差估计值ζn+1,根据ζn+1的大小 自适应调节时间步长的大小,为算法提供一个判断语句,其能使算法流程图更加多样性.将该思想应用于经典Runge-Kutta算法和精细Runge-Kutta算法中,得到自适应步长的经典Runge-Kutta算法和精细Runge-Kutta算法,使算法的时间步长依赖于给定的每步误差限值,提高计算精度,数值算例论证了本文方法的有效性.