一维非线性周期结构中弹性波传播的辛数学方法

利用辛数学方法分析了质量-弹簧非线性周期结构链中弹性波的传播问题．首先利用能量方法得到频域动力方程,随后通过小量变换将非线性动力方程线性化,得到辛矩阵,进而通过求解辛矩阵的本征值问题来研究波的传播性能．质量-弹簧模型中的弹簧刚度非线性对结构链的传播特性影响很大,研究发现非线性明显改变了周期结构的传播性能,而且不同于线性结构,非线性结构的传播特性与入射波强度有关．数值算例表明随着非线性强度及入射波强度的增大,传播通带宽度逐渐减小,禁带宽度逐渐增大．当入射波强度增大到一定值时,弹性波无法在结构中进行传播．与一般递归方法的比较分析,验证了辛数学方法在非线性周期结构波传播问题中的有效性与优越性．     

Sine-Gordon方程的多辛Leap-frog格式

非线性发展方程由于具有多种形式的解析解而吸引着众多的研究者,借助多辛保结构理论研究了Sine-Gordon方程的多辛算法．利用Hamilton变分原理,构造出了sine-Gordon方程的多辛格式;采用显辛离散方法得到了Leap-frog多辛离散格式,该格式满足多辛守恒律;数值结果表明leap-frog多辛离散格式能够精确地模拟sine-Gordon方程的孤子解和周期解,模拟结果证实了该离散格式具有良好的数值稳定性．     

辛Runge-Kutta方法在卫星交会对接中的非线性动力学应用研究

卫星交会对接问题是实现太空平台等空间系统的关键问题之一.考虑了由于地球引力作用而引起的卫星交会对接中的非线性动力学问题.首先,采用能量方法给出Lagrange函数;然后,通过引入广义坐标和广义动量,以及Legendre变换,得到Hamilton方程;随后,采用辛Runge-Kutta方法求解该Hamilton方程,并与传统的四阶Runge-Kutta方法对比.数值结果表明:辛Runge-Kutta方法能够在积分过程中长时间保持系统的固有特性,为天体动力学问题的研究提供了良好的数值方法.     

Dirac结构与Dirac流形

引入了Dirac结构的对偶特征对的概念,并给出了相应的可积性条件．利用这些结果,得到在Dirac流形的子流形上自然诱导出Dirac结构的条件,结果改进了Courant T．J．给出的相应条件;还得到Poisson流形在子流形上诱导出Poisson结构的条件,并改进了Weinstein A．和Courant T．J．所给出的相应条件;最后证明了预辛形式的可约Dirac结构与相应商流形上的辛结构之间存在一一对应的关系．     

ZK-BBM方程的多辛Preissmann格式

本文研究一类非线性ZK-BBM方程的初值问题.利用Hamilton系统的多辛Preissmann方法,获得ZK-BBM方程初值问题的数值结果,数值结果表明该多辛离散格式具有较好的长时间数值稳定性.     

Hamilton系统的连续有限元法

利用常微分方程的连续有限元法,对非线性Hamilton系统证明了连续一次、二次有限元法分别是2阶和3阶的拟辛格式,且保持能量守恒;连续有限元法是辛算法对线性Hamilton系统,且保持能量守恒．在数值计算上探讨了辛性质和能量守恒性,与已有的辛算法进行对比,结果与理论相吻合．     

结构动力学方程的辛RK方法

针对有阻尼和外载荷的线性动力学常微分方程,给出了s级2s阶隐式Gauss-Legendre辛RK(Gauss-Legendre symplectic Runge-Kutta,GLSRK)方法的一种显式高效的执行格式,首次给出了Gauss-Legendre辛RK方法和经典RK方法(classical RK,CRK)的谱半径和单步相位误差的显式表达式,并将两者进行了比较.线性多自由度系统和非线性Rayleigh系统数值算例表明,对结构动力学系统而言,辛RK方法远比经典RK方法优越,在运动学特性和长时间数值模拟方面尤为明显.     

基于径向基逼近的KdV方程的无网格辛算法

基于径向基逼近理论,本文为KdV方程构造了一个无网格辛算法.首先借助径向基空间离散Hamilton函数以及Poisson括号,把KdV方程转化成一个有限维的Hamilton系统.然后用辛积分子离散有限维系统,得到辛算法.文章进一步讨论了所构造辛算法的收敛性和误差界.数值例子验证了理论分析.     

一类强色散DGH方程的多辛普雷斯曼格式

DGH方程作为一类重要的非线性水波方程有着许多广泛的应用前景.基于Hamilton系统的多辛理论研究了一类强色散DGH方程的数值解法,利用多辛普雷斯曼方法构造了一种典型的半隐式的多辛格式.分析了该格式的局部能量和动量守恒律误差,并给出了数值算例.数值算例结果表明该多辛离散格式具有较好的长时间数值稳定性.     

辛求解体系下功能梯度材料平面梁的完整解析解

采用辛弹性力学解法,求取弹性模量沿轴向指数变化,而Poisson比保持不变的功能梯度材料平面梁的完整解析解．通过求解被Saint-Venant原理覆盖的一般本征解,建立起完整的解析分析过程,进而给出平面梁位移和应力的精确分布规律．传统的弹性力学分析方法常常忽略被Saint-Venant原理覆盖的解,但这些衰减的本征解对材料的局部效应起着较大的影响作用,可能导致材料或结构的突然失效．采用辛求解方法,充分利用本征向量之间的辛共轭正交关系,得到了功能梯度材料梁的完整解析解．两个数值算例分别将功能梯度材料平面梁的位移和应力分布与相应均匀材料情形的结果进行比较,研究了材料非均匀性对位移和应力解的影响．     

基于拟线性化方法的非线性系统闭环反馈控制保辛算法

提出了一种求解非线性系统闭环反馈控制问题的保辛算法．首先,通过拟线性化方法将非线性系统最优控制问题转化为线性非齐次Hamilton系统两端边值问题的迭代格式求解．然后,通过作用量变分原理与生成函数构造了保辛的数值算法,且该算法保持了原Hamilton系统的辛几何性质．最后,通过时间步的递进完成状态与控制变量的更新,进而达到闭环控制的目的．数值算例表明:保辛算法具有较高的计算精度和较快的收敛速度．此外,将闭环反馈控制与开环控制分别应用于驱动小车上的倒立摆控制系统中,结果表明:在存在初始偏差的情况下,开环控制会导致稳定控制任务的失败,而闭环反馈控制能够在一段时间后消除初始偏差的影响,并使系统达到稳定状态．     

光伏光折变晶体中孤立波的数值模拟

高斯光束在光伏光折变晶体中孤立波的演化满足傍轴方程.傍轴方程可以看作无限维Hamil-tonian系统并可以利用辛几何算法进行计算.数值结果表明外加电场和光伏场的强弱和入射高斯光束的振辐对形成稳定的孤立波有显著的影响.傍轴方程的辛几何差分格式能很好地模拟傍轴方程中孤立波的演化行为.     

Geometric integration of the paraxial equation

Evolution of solitary waves in photovoltaic-photorefractive crystal satisfy the paraxial equation. The paraxial equation is transformed into the symplectic structure of the infinite dimensional Hamiltonian system. The symplectic structure of the paraxial equation is discretizated by the symplectic method. The corresponding symplectic scheme preserves conservation of discrete energy which reflects conservation of energy of the paraxial equation. The symplectic scheme is applied to simulate the solitary wave behaviors of the paraxial equation. Evolution of the solitary waves with the different applied electric field and the different photovoltaic fields are investigated.     

非线性最优控制问题的保辛多层次求解方法

将非线性系统的最优控制问题导向Hamilton系统,提出了求解非线性最优控制问题的保辛多层次方法．首先,以时间区段两端状态为独立变量并在区段内采用Lagrange插值近似状态和协态变量,通过对偶变量变分原理将非线性最优控制问题转化为非线性方程组的求解．然后,在保辛算法的具体实施过程中提出了多层次求解思想,以2N类算法为基础由低层次到高层次加密离散时间区段,利用Lagrange插值得到网格加密后的初始状态与协态变量作为求解非线性方程组的初值,可提高计算效率．数值算例验证了算法在求解效率与求解精度上的有效性．     

非线性自由表面波问题的差分解法

本文提出计算二维非定常位势流动的有限差分法,流动是因自由表面任意瞬间扰动所产生的.自由表面上同时满足动力和运动的非线性条件.本方法的基本特征是利用坐标变换将时间相关的物理计算域变换为固定域;建立迭代格式解Poisson方程以求速度势;通过快速富氏变换化为三对角型代数方程组计算未知量,因而大量节省计算机时.为解非定常自由表面波浪问题提供了一个有效的方法.引用了两个例题验证方法的可行性.     

Symplectic integration of Hamiltonian wave equations

Summary The numerical integration of a wide class of Hamiltonian partial differential equations by standard symplectic schemes is discussed, with a consistent, Hamiltonian approach. We discretize the Hamiltonian and the Poisson structure separately, then form the the resulting ODE's. The stability, accuracy, and dispersion of different explicit splitting methods are analyzed, and we give the circumstances under which the best results can be obtained; in particular, when the Hamiltonian can be split into linear and nonlinear terms. Many different treatments and examples are compared.     

ON THE SYMPLECTIC REDUCTIONS

A symplectic reduction method for symplectic G-spaces is given in this paper without usingthe existence of momentum mappings.By a method similar to the above one,the arthorsgive a symplectic reduction method for the Poisson action of Poisson Lie groups on symplecticmanifolds,also without using the existence of momentum mappings.The symplectic reductionmethod for momentum mappings is thus a special case of the above results.     

ON THE SYMPLECTIC REDUCTIONS

A symplectic reduction method for symplectic G-spaces is given in this paper without using the existence of momentum mappings. By a method similar to the above one, the arthors give a symplectic reduction method for the Poisson action of Poisson Lie groups on symplectic manifolds, also without using the existence of momentum mappings. The symplectic reduction method for momentum mappings is thus a special case of the above results.     

A Method to Generate First Integrals from Infinitesimal Symmetries

We propose a method to construct first integrals of a dynamical system, starting with a given set of linearly independent infinitesimal symmetries. In the case of two infinitesimal symmetries, a rank two Poisson structure on the ambient space it is found, such that the vector field that generates the dynamical system, becomes a Poisson vector field. Moreover, the symplectic leaves and the Casimir functions of the associated Poisson manifold are characterized. Explicit conditions that guarantee Hamilton–Poisson realizations of the dynamical system are also given.