重物落水后运动过程的数学建模

分析了影响重物落水运动过程的主要因素,根据各因素权重关系及相关物理理论建立了多因素融合的大实心方砖落水过程模型,对重物在水中的运动分成部分浸入水中和重物完全浸入水体两个阶段.定性描述了两连接物体落水后耦合运动过程,并与实测数据进行拟合,根据对比的结果,实现了误差分析,根据误差原因优化模型以提高其准确度和适用性,并对未来的试验和研究工作提出了一些建议,以提高试验数据的质量.     

与封堵溃口有关的重物落水后运动过程的分析

针对2010年全国研究生数学建模竞赛B题一"与封堵溃口有关的重物落水后运动过程"中的命题背景,建立了重物在水中的运动的数学模型,并处理了小型试验获取的相关数据.     

重物落水后运动过程的数学模型

为了迅速有效地封堵在汛期河道堤防出现的溃口,建立了重物落水后运动过程的微分方程模型,并采用单因子分析法进行误差分析.分析了不同水流速度、不同投放高度和不同投放方式对模型的影响.然后通过小型试验验证了所建模型的合理性及正确性.结果表明,该模型能够较准确地模拟重物落水后的运动过程,有利于辅助防灾减灾工作的顺利进行.     

与封堵溃口有关的重物落水后运动过程模型

洪涝灾害经常会造成溃坝溃堤,进而引发泥石流灾害,造成国家和人民生命财产的严重损失,物体填堵方法是有效解决溃坝溃堤问题的一种手段,主要针对物体填堵时在何处投放物体最有效的问题进行了解决.在合理假设的前提下,通过对试验模型中各单件相关数据进行分析并参考相关资料,得出影响重物在水中运动的主要因素,包括流体结构、投放高度、投放方式、物体形状等.然后按照物体是否完全浸入水中把运动过程分成两个阶段,再分别从垂直和水平两个运动方向考虑,利用已知的试验数据和相关知识,建立了能够适应不同情况的、描述重物水中运动过程的数学模型.以大实心方砖为例进行分析,利用Matlab对所建的模型进行求解,对比拟合试验数据得到的和所建模型得到的运动方程,从而可以计算出离散时间点的相对误差,其值大约为8%-13%,符合容许条件,证明所建模型还是比较合理的.     

与封堵溃口有关的重物落水后的运动过程

为了精确求解落水重物的运动轨迹,首先根据力学原理建立一个数学模型,接着利用最优化理论求解该模型,并与试验的结果进行对照.结果表明,数值模拟所得重物的下沉轨迹与试验存在一定的差距.为此,提出了一种改进模型的办法,即在原来模型的基础上加入噪声.带噪声的模型拟合所得值与试验吻合较好,从而验证了模型的可靠性和精度,可应用于实际的溃口封堵重物运动过程的数值模拟.     

物块落水后运动过程的动力学分析

采用动力学的方法,对物块在流场中的运动进行了受力分析,通过动力学微分方程和边界条件分别得到物体静止进入水中和运动进入水中的物体运动轨迹方程.对于复杂形状,通过工程中常用的体积等效和截面等效的方法获得当量直径,将物块等效为球形,并且引入了空心率的概念用于表征物块形状参数对流场中受力的影响.对于溃口封堵的真实流场,可以采用重力相似准则转化为模型适用的小型流场情况,对其进行分析.     

张力腿平台有限振幅运动的方程和数值解

论证了张力腿平台(TLP)在波浪作用下发生有限振幅运动时,所受惯性力、粘性力、浮力等载荷不仅与波浪场有关,还与瞬时响应有关,是响应的非线性函数;张力腿拉力也是各自由度位移的非线性函数.所以分析TLP受力时必须考虑平台的瞬时加速度、速度和位移,在瞬时位置建立运动方程.据此推导出TLP发生有限振幅运动时的外力计算公式,建立了TLP 6自由度有限振幅运动非线性控制方程.其中考虑了由6自由度有限位移引起的多种非线性因素,如各自由度之间的耦合、瞬时湿表面、瞬时位置等;还包括自由表面效应、粘性力等因素引起的非线性.用数值方法求解所得到的非线性运动方程.对典型平台ISSC TLP进行了数值分析,求得该平台在规则波作用下的6自由度运动响应.用退化到线性范围的解与已有解进行了对比,吻合良好.数值结果表明,综合考虑非线性因素后响应有明显改变.     

基于时空图注意力网络的跳高轨迹预测

跳高运动由助跑、单脚起跳、越过横杆落地等一系列动作组成,跳高运动轨迹是一个复杂的因果系统.在每一个时间节点,运动员的身体姿态符合一定的规律约束.研究建立了跳高运动过程中关键身体关节节点坐标依时间变化的离散过程模型,每个时刻的各关节点位置向量由给定的之前若干个时刻的运动员关节点位置决定.跳高运动员肢体的摆动、关节点位置的变化都对运动员位移有重要作用.运动员重要关节点之间的相互作用,使得跳高运动轨迹难以刻画和预测.随着深度学习的发展,图神经网络在时空特征刻画和预测上具有优势.基于时空图注意力网络结合长短时记忆网络、门控循环单元(STGAT-LSTM、STGAT-GRU)建立了具有空间位置约束的跳高运动员关节点位置随时间变化的模型,用于推算跳高运动员重心和关节点位置轨迹.实验结果表明该模型能够很好地刻画跳高运动的过程,对于关节点位置的预测能够达到较好的效果.研究所提出模型的预测效果比基线模型准确性提高了0.02-0.03米.研究给出了基于神经网络模型进行跳高运动轨迹预测的可行解决方案,可作为跳高运动仿真和技术优化研究的重要参考.     

上海市PM2.5浓度的分析与预测

针对上海市PM2.5的浓度进行动态分析及预测.通过使用Page检验分析了上海市PM2.5浓度近几年的变化趋势;然后建立时间序列ARIMA模型对PM2.5浓度日数据进行拟合分析与预测.在此基础上通过引入影响PM2.5浓度的其他因素建立带时间序列误差的回归模型以及引入波动率因素建立带波动率方程的模型改进原时间序列ARIMA模型;通过比较样本外预测的效果,结果表明改进后的两个模型其结果均优于已知文献中的ARIMA模型.     

基于人机耦合的下肢外骨骼动力学分析及仿真

建立了一种包含人机交互力的人体-外骨骼模型，对人体和外骨骼分别采用7连杆的刚体模型进行建模，建立其D-H坐标系，得到人机模型在运动过程中的变化矢量.采用Newton-Euler方程建立动力学方程式，将人机之间的交互力简化为弹力，根据运动中人体和外骨骼质心之间的距离变化得到其相对位移，从而求得运动过程中交互力的大小.最终在ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)仿真软件中对动力学模型进行仿真，并将动力学方程得到的关节力矩代入到仿真中，验证了该人体-外骨骼模型的正确性.     

矿区土壤中含水率及重金属迁移转化的数值模拟

本文基于由连续性方程和达西定律所推出的土壤中水分运动基本方程,以一维垂向水分方程为研究对象,构造稳定收敛的有限差分格式,运用MATLAB数学工具,对地面饱水情况下土壤水分运动的一维垂向方程进行了数值模拟,得到了土壤中水分的迁移规律;同时,综合考虑对流扩散作用以及土壤对重金属的吸附解吸作用,利用非饱和土壤中重金属离子迁移转化模型,对锌离子在矿区土壤中的迁移转化进行了数值模拟,展示了锌离子在矿区土壤中的浓度分布规律．     

A hydrodynamical model for holes in silicon semiconductors: The case of non-parabolic warped bands

This paper can be considered as the natural prosecution of Mascali and Romano (2009) [5]. Here, we describe the motion of holes in silicon by also taking into account the non-parabolicity of the heavy and light bands. The model is still based on the moment method and the closure of the system of equations is obtained by using the maximum entropy principle. Comparisons are made with the results in [5], in the case of bulk silicon, in order to establish the importance of non-parabolicity.     

Asymptotic stability and associated problems of dynamics of falling rigid body

We consider two problems from the rigid body dynamics and use new methods of stability and asymptotic behavior analysis for their solution. The first problem deals with motion of a rigid body in an unbounded volume of ideal fluid with zero vorticity. The second problem, having similar asymptotic behavior, is concerned with motion of a sleigh on an inclined plane. The equations of motion for the second problem are non-holonomic and exhibit some new features not typical for Hamiltonian systems. A comprehensive survey of references is given and new problems connected with falling motion of heavy bodies in fluid are proposed.      

We know where you are going: tracking objects in terrain

Traditional tracking algorithms rely heavily on past observationsof objects but do not account for local information. These approacheswork well when the objects of interest are subatomic particles,aircraft, or projectiles. However, they fail to account forthe movement of intelligent objects in terrain. In this paper,we present an algorithm for tracking remotely sensed objectsmoving over terrain using information provided by a geographicinformation system. The proposed model specifically accountsfor the influence of the environment (rivers, roads, vegetation,elevation, etc.) on the propagation of the probability densities.We make a number of assumptions about the motion of targets,but do not assume knowledge of goal locations.     

Mathematical Model of Ice Melting on Transmission Lines

During ice storms, ice forms on high voltage electrical lines. This ice formation often results in downed lines and has been responsible for considerable damage to life and property as was evidenced in the catastrophic ice storm of Quebec recently. There are two main aspects, viz., the formation of ice and its timely mitigation. In this paper, we mathematically model the melting of ice due to a higher current applied to the transmission wire. The two dimensional cross-section contains four layers consisting of the transmission wire, water due to melting of ice, ice, and the atmosphere. The model includes heat equations for the various regions with suitable boundary conditions. Heat propagation and ice melting are expressed as a Stefan-like problem for the moving boundary between the layers of ice and water. The model takes into account gravity which leads to downward motion of ice and to forced convection of heat in the water layer. In this paper, the results are applied to the case when the cross-sections are concentric circles to yield melting times for ice dependent on the increase in intensity of the electrical flow in the line. This research has been supported in part by Manitoba Hydro and NSERC.     

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This paper establish a first passage time model based on the Merton's structural model by using the method of geometric Brownian motion. In this paper, we consider the accounting noise and historical default record and then introduce a new incomplete information hypothesis. Besides, we introduce the stock's liquidity value into the model, and apply its method measurement which based on Merton's structural model to the first passage time model to obtain the endogenous default boundary. Based on the incomplete information, the conditional default probability is derived by using the default boundary. And at the last of this passage, we analysis the effect of the correlation between stock's price and company assets on the default probability.     

自由下落猫的非完整运动规划最优控制研究

研究猫在自由下落时姿态运动规划问题.自由落体的猫在空中转体运动由于角速度不可积,姿态运动方程呈现为非完整形式.当系统角动量为0时,导出由两个对称刚体组成的自由下落猫的非完整姿态运动方程.利用该非完整方程系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.基于Ritz近似理论,给出自由落体猫姿态运动规划的Gauss-Newton算法.最后对自由落体猫作了数值仿真实验,仿真结果验证了该算法的有效性.