太阳帆塔轨道和姿态耦合动力学建模及辛求解

在建立太阳帆塔太阳能电站简化模型的基础上,将系统的动力学方程从Lagrange体系导入到了Hamilton体系,给出了带约束的Hamilton正则方程;进而采用祖冲之类算法和辛Runge-Kutta方法分析了太阳帆塔轨道和姿态耦合系统的动力学特性,并讨论了算法的保能量、保约束特性;最后,数值模拟了系统的动力学特性,说明了所提方法的有效性.     

三维井眼轨道设计模型及应用

讨论了两种典型的三维井眼轨道设计问题 .建立了设计的一般数学模型 ,利用空间矢量分析理论得到了约束变量间的解析表达式和井眼轨道计算式 .这种新方法避免了求解多维非线性方程组 ,设计计算简单精确 .该设计模型成功地解决了多约束条件下的三维井眼轨道设计这一难题 ,具有普遍适用性 .可广泛用于定向井、水平井和多目标井的井眼轨道设计 ,为井眼轨道控制提供了更为准确的理论依据 .     

基于多项式实数根的三维井眼轨道设计理论

三维井眼轨道设计问题需要求解多元非线性方程组,由于未知数多、方程的非线性强,一般难以求出解析解,通常使用数值迭代方法求数值解.对三维s型轨道设计问题依据已知设计参数进行了分类,发现了一套有效的数学化简技巧,求出了第1类初值问题的解析解和第Ⅱ-Ⅳ类初值问题的拟解析解.提出了轨道设计问题的特征多项式的新概念,并证明了轨道设计问题是否有解取决于特征多项式是否有实数根,解的个数不多于实数根的个数或个数的二倍.所提出的基于特征多项式实数根的拟解析算法对于求解轨道设计问题具有计算速度快、计算可靠性高、易于计算机编程实现等优点,在三维水平井轨道设计、三维绕障井轨道设计、防碰设计等方面具有比数值迭代方法更好的计算性能.     

用拟小波方法数值求解Burgers方程

引进了一种拟小波方法数值求解Burgers方程,空间导数用拟小波数值格式离散,时间导数用四阶Runge-Kutta方法离散,计算的雷诺数变化从10到无穷大,拟小波数值方法能很好描述函数的局部快速变化特性,这一点通过对Burgers方程的数值求解以及与共相应解析解的比较中得到证实。     

随机环境下种群增长模型的数值模拟与最优解

由于很多随机微分方程没有显式解,其数值算法是近年研究的一个热点问题.文章用Milstein高阶法对随机Logistic模型进行数值求解.随机Logistic模型以及由它衍生出的一系列模型是生物经济中常用的模型,对于研究生物资源的适度开发和控制捕获以获得最大的经济效益具有重要的意义.文章首先用数值模拟得到此模型在不同参数下的样本轨道,并且与直接用其强解的表达式得到的轨道相对比.然后考虑三种不同的捕获模式-固定捕获努力量,两点分布的捕获努力量和与种群数量变化比例相同的捕获努力量,其中后两种捕获努力量是与种群数量有关的随机过程.用模拟的方法得出这三种捕获模式的长期平均产出的变化规律,并且比较这三种捕获模式的优劣.发现设计的后两种捕获模式相比于固定捕获努力量各有其优点.最后用随机Logistic模型分析一个北冰洋鳕鱼的数据.     

求解美式回望期权的有限元方法

期权作为一种金融衍生产品,在欧美国家一直很受欢迎.由于其规避风险的特性,期权也吸引了中国投资者的兴趣.基于市场的需求,2015年初,上海证券交易所推出了中国首批期权产品,期权定价问题的研究热潮正席卷全球.本文研究的美式回望期权,是一种路径相关的期权,其支付函数不仅依赖于标的资产的现值,也依赖其历史最值.分析回望期权的特点,不难发现:1)这类期权空间变量的变化范围为二维无界不规则区域,难以应用数值方法直接求解;2)最佳实施边界未知,使得该问题变得高度非线性.本文的主要工作就是解决这两个困难,得到回望期权和最佳实施边界的数值逼近结果.现有的处理问题1)的有效方法是采用标准变量替换、计价单位变换以及Landau变换将定价模型化为一个[0,1]区间上的非线性抛物问题,本文也将沿用这些技巧处理问题1).进一步,采用有限元方法离散简化后的定价模型,并论证了数值解的非负性,提出了利用Newton法求解离散化的非线性系统.最后,通过数值模拟,验证了本文所提算法的高效性和准确性.     

投影三角分解法定价带随机波动率的美式期权

考虑数值求解Heston随机波动率美式期权定价问题,通过在空间方向采用中心差分格式离散二维偏微分算子,在时间方向利用隐式交替方向格式,将美式期权定价问题转化成求解每个时间层上的若干个线性互补问题.针对一般美式期权定价模型离散得到的线性互补问题,构造出投影三角分解法进行求解,并在理论上给出算法的收敛条件.数值实验表明,所构造的数值方法对于求解美式期权定价问题是有效的,并且优于经典的投影超松弛迭代法和算子分裂方法.     

Elastic Analysis of Anisotropic Functionally Graded Rotating Disks With Non-Uniform Thicknesses北大核心CSCD

研究了任意梯度变化的变厚度各向异性转动圆盘的弹性问题.假设圆盘绕刚性轴匀速转动,其材料性能和厚度沿径向任意梯度变化.考虑圆盘在中心转轴处受位移约束,外侧自由,根据各向异性转动圆盘的平衡微分方程,得到关于径向应力的Fredholm积分方程,继而通过对Fredholm积分方程进行数值求解,得到结构的位移场和应力场.对具体梯度变化情况仅需代入相应梯度变化进行求解即可.数值算例部分,通过假设厚度、弹性模量等参数为特殊的幂函数形式,将由Fredholm积分方程求出的数值解与对应的精确解进行对比,以及针对常见的Voigt模型,将由该方法算得的数值解和ANSYS有限元计算结果进行对比,验证了该方法的准确性和精度.其次,针对Voigt模型,重点分析了厚度变化、材料性能梯度参数、各向异性度等对应力场和位移场的影响.提出了针对材料性能和厚度沿径向呈任意梯度变化的圆盘结构弹性分析方法,将为优化功能梯度圆盘的结构和材料参数、有效调整构件应力分布、提高结构安全性,提供强有力的工具;算例分析结果对功能梯度圆盘在复杂条件下的结构安全设计有重要的理论指导意义.     

高维极限环的数值追踪

本文通过对极限环采用样条插值函数来近似,化R~n空间中追踪极限环的动态问题为求解更高维空间中非线性代数方程组的静态问题,采用伪弧长算法实现对极限环轨道的数值追踪,计算并给出了Lorenz方程组的极限环轨道在R~3空间中的变形性态。     

考虑空间效应的多支撑管线随机地震响应分析

提出了一种能考虑地震动空间变化效应的多支撑管线随机地震响应分析的解析方法.证明了多点地震作用下结构的平稳随机响应分析可转化为求解支座简谐运动时的确定性响应,直接给出了含有待定系数的简谐响应的形式,并通过边界条件和连续性条件建立待定系数的求解方程.与拟静位移分解法相比,该方法不用计算结构的振型以及拟静位移分量,完全是基于解析推导,因此在计算效率方面优势明显.数值算例中,采用该方法和拟静位移分解法计算了一个6跨管线在空间多点地震作用下的随机响应,对比验证了方法的正确性和高效性.     

An analytical theory for avoidance collision between space debris and operating satellites in LEO

This paper provides a Hamiltonian formulation of equations of motion of an artificial satellite or space debris moving in Low Earth orbit (LEO). This Hamiltonian is the base to develop an analytical theory of order three, which the theory has been formulated using canonical transformations using Hori-Lie method. The theory accounts for the influence of the Earth gravity field up to degree and order of geopotential harmonics (50 × 50), luni-solar perturbations, solar radiation pressure, atmospheric drag, albedo forces, and the post Newtonian effects arising from Schwarzschild solutions. In this theory, we pay particular attention to the resonance and very long period perturbations, which are modeled with the use of semi-secular terms. The fourth order Runge–Kutta numerical integrator is used to integrate the equations of motion in order to compare with the analytical theory. Including all possible perturbations, in particularly Aledo force and post Newtonian effect in addition to the adequate section of the integrator found to have an importance on the improving the accuracy of the current theory compared with the previous solution. The orbital theory is precise and enables the short term predictions on a few centimeters level. Finally, we show some results concerning the short term dynamics of a different satellite and space debris in LEO under the influence of the considered perturbations.     

弹性地基上四边自由矩形薄板的解析解

将弹性地基用Winkler模型来代替,并首先把弹性地基上薄板弯曲问题的控制方程表示成为Hamilton正则方程,然后利用辛几何方法对全状态相变量进行分离变量,求出其本征值后,再按本征函数展开的方法求出弹性地基上四边自由矩形薄板的解析解．由于在求解过程中不需要事先人为的选取挠度函数,而是从弹性地基上薄板弯曲的基本方程出发,直接利用数学的方法求出可以满足四边自由边界条件的解析解,使得问题的求解更加理论化．还给出了计算实例来验证所采用的方法以及所推导出的公式的正确性．     

太阳辐射时间序列的非线性检验

检验太阳辐射时间序列是否有非线性特征,对于分析、建模和预测太阳辐射量是重要、有益的.提出用基于替代数据的检验方法来检验太阳辐射时间序列是否存在非线性特征,并将数据序列的三阶矩作为检验统计量.选取了美国Montana州Dillon地区和Wyoming州Green Rivet地区每日总辐射量、Utah州Moab地区的每月日平均总辐射量时间序列作为检验对象.数值分析的统计结果表明所研究的日总辐射时间序列存在非线性,而每月日平均总辐射时间序列未检测出非线性.因而,对太阳辐射时间序列建模和预测之前,检验其是否有非线性特征是必要的.     

Fluid Models of the Solar Wind

The paper analyses the fluid dynamical models that have beenconstructed to describe the solar wind since Parker's (1958)first model. A brief historical development of the subject issketched, and an account is given of the gross properties ofthe solar wind medium. Based on certain simplifying postulates,the fluid equations of continuity, momentum, and energy aregiven for the idealized solar wind. Parker's polytropic modelis presented, followed by an analysis of the various modelsincorporating thermal conduction. Viscous and two-fluid solarwind models are examined. A discussion of the applicabilityof the hydrodynamic regime to the solar wind is finally given.     

在动载荷作用下框架结构大变形分析的微分代数方法

采用弧坐标首先建立了在动载荷作用下,具有不连续性条件和初始位移的框架结构大变形分析的非线性数学模型．其次, 在空间区域内, 采用微分求积单元法（DQEM）来离散非线性数学模型, 并提出了在使用DQEM来求解结构大变形分析中,多个变量具有间断性条件的有效方法,得到了一组非线性DQEM的离散化方程,它是时间域内的一组具有奇异性的非线性微分-代数方程．同时也给出了求解非线性微分-代数方程组的一个解法A·D2作为应用,求解了受集中力和分布力作用的框架和组合框架的大变形静动力学问题,并与现有结果进行了比较．数值算例表明,处理多个变量具有间断性条件的方法和求解代数-微分系统的方法是一个有效的和一般的方法,它具有较少的节点、 较小的计算工作量、 较高的精度、良好的收敛性、 操作简单以及应用广泛等优点．     

Canonical Boundary Element Method for Plane Elasticity Problems

In this paper, we apply the canonical boundary reduction, suggested by Feng Kang, to the plane elasticity problems, find the expressions of canonical integral equations and Poisson integral formulas in some typical domains. We also give the numerical method for solving these equations together with their convergence and error estimates. Coupling with classical finite element method, this method can be applied to other domains.     

Numerical Solutions of Harmonic and Biharmonic Canonical Integral Equations in Interior or Exterior Circular Domains

Elliptic boundary-value problems can be reduced to integral equations on the boundary by many different ways. The canonical reduction, suggested by Prof. Feng Kang, is a natural and direct approach of boundary reduction. This paper gives the numerical method for solving harmonic and biharmonic canonical integral equations in interior or exterior circular domains, together with their convergence and error estimates. Using the theory of distributions, the difficulty caused by the singularities of integral kernel is overcome. Results of several numerical calculations verify the theoretical estimates.     

预测纳米纤维复合材料有效弹性性能的界面模型和界面相模型北大核心CSCD

基于广义自洽法,同时采用Gurtin-Murdoch界面模型和界面相模型研究了纳米纤维复合材料的有效弹性性能,获得了两种模型下有效体积模量的封闭解析解和计算有效面内剪切模量数值解的全部公式.基于界面模型的解答,讨论了有效体积模量和有效面内剪切模量的界面效应.证明了界面模型的解答可由界面相模型的解答退化得到,其中有效体积模量可以实现解析退化,有效面内剪切模量则可以数值退化.以含纳米孔洞的金属铝为例,比较了两种模型计算结果的差异.结果表明,当纳米孔洞半径较小时,两个模型的结果存在很大差异,而当半径较大时两个模型的结果差别不大.     

轨道运动方程数值解的一种加速算法

针对卫星轨道受大气阻力摄动的运动方程,提出了一种数值加速算法,该算法实现简单、计算量小、精度高,适合于各类卫星轨道的方程的求解.