一类带高频耗散的动力学显式算法

带数值耗散的算法因其能有效过滤虚假高频响应的影响而备受关注。基于离散控制理论Z变换，提出一类带数值耗散的结构动力学显式算法。该算法采用CR法的速度和位移递推式，满足零振幅衰减率，且对线性系统和非线性刚度软化系统为无条件稳定，对刚度硬化系统则是条件稳定的；该算法由单个参数ρ控制数值耗散能力。通过对振幅衰减和周期延长的理论分析表明，系数a可调节算法的精度和非线性稳定区间，给出精度最优时系数的取值。对特定的系数取值该算法可转变为CR法。通过算例对线性系统和非线性系统的分析验证了新算法具有良好的精度、稳定性和数值耗散，表明新算法是正确有效的。     

一种基于Associated Hermite正交函数求解对流扩散方程的算法

提出了一种基于AH(Associated Hermite)正交基函数求解对流扩散方程的无条件稳定算法。该算法将方程的时间项通过Hermite多项式作为正交基函数进行展开,利用Galerkin方法消除时间变量项,从而导出有限维AH域隐式差分方程,突破了传统显式差分格式稳定性条件的限制,最后通过对AH域展开系数的求解得到该对流扩散方程的数值解。在数值算例中,将该算法与传统显示差分法和交替方向隐式差分法进行对比分析,数值计算结果表明,算法无条件稳定且其计算精度与时间步长无关,对于具有精细结构的对流换热问题,该算法具有明显的效率优势,且保持了较高的精度。     

结构动力问题的高精度组合差分时程积分法

基于Taylor级数展开得到位移和加速度的中心差分格式,并结合速度的后差分格式,构造了一种求解结构动力问题的组合差分格式的时程积分算法,该算法为自起步的两步高精度算法。通过求解递推格式的传递矩阵及其特征值,对该算法的稳定性和精度进行了理论分析,结果表明,本文提出的算法虽属条件稳定,但其精度极高,具有周期延长率小、没有振幅衰减等优点。数值分析结果也证明本文提出的算法具有较高精度。     

污染扩散方程高精度紧致格式及其稳定性分析

针对污染扩散方程提出了时间任意阶精度的显式格式,并对该格式的稳定性和精度进行了分析,理论结果表明:一阶精度的计算格式是传统的显格式,其稳定条件为:s≤1/2(s=D.Δt/Δx2,D为扩散系数,Δt为时间步长,Δx为空间步长),随着保留精度阶数的增加,稳定性范围也会随之增大;当保留无穷阶精度时,格式是无条件稳定的。这也就从一个侧面揭示了稳定性与时间精度之间的关系,为高性能数值计算格式的构思提供了可以借鉴的原则。数值算例的结果表明,本文格式具有一定的实用性。     

变截面梁横向振动固有频率数值计算

根据边界条件对变截面梁横向振动四阶变系数微分方程降阶, 形成关于挠度和弯矩的二 阶非显式递推变系数微分方程组; 利用有限差分法, 研究了变截面简支梁横向振动固有频率 的数值计算方法及其精度. 理论分析和正交计算的算例表明: 数值计算算法简单, 计算精度 取决于计算步长的数目和梁横截面竖向渐变率, 与梁宽和梁长无关; 对于给定的计算步长或 数目, 可以估算数值计算的精度; 对于给定的精度要求, 可以确定合理的计算步长或数目.     

结构动力响应分析的三阶显隐式时程积分方法

基于泰勒级数展开式提出了一种用于结构动力响应分析的高精度时程积分方法,该方法假设t时刻的速度和加速度由t-Δt时刻、t时刻、t+Δt时刻的速度和加速度加权表示,并可根据求解需要调节权值,将积分算法构造成隐式格式或显式格式。通过理论分析和数值算例,计算讨论了该算法的稳定性和精度,确定了最佳的权值和允许的时间步长。结果表明:本文算法最高具有三阶精度,且具有振幅衰减率低、周期延长率极小等优点。最后结合一个铁道工程实例,表明本文算法适用于大型非线性动态响应的精确快速求解。     

对流扩散方程的绝对稳定高阶中心差分格式

将作者提出的数值摄动算法改进为区分离散单元内上游和下游并分别对通量进行高精度重构的双重数值摄动算法,与原(单重)摄动算法相比,双重摄动算法既提高了格式精度又明显扩大了格式的稳定域范围.利用双重摄动算法,即分别利用上游和下游基点变量的摄动重构将高阶流体力学关系及迎风机制耦合进二阶中心格式之中,由此构建了对流扩散方程的对网格Reynolds数的任意值均稳定(绝对稳定)高精度(四阶和八阶精度)三基点中心TVD差分格式,通过解析分析以及3个算例计算证实了构建格式的优良性能;3个算例包括一维线性、非线性(Burgers方程)和二维变系数对流扩散方程.数值计算表明:构建的格式在粗网格下不振荡,构建格式在粗网格时的最大误差L_∞和均方误差L_2与二阶中心格式在细网格时的相应误差一致,对线性方程,构建格式在细网格下可达到L_2精度阶.     

一种求解粘弹性大变形问题的时域分段展开算法

摘要： 利用展开技术,提出一种求解粘弹性大变形问题的时域分段自适应算法,建立了显式递推格式的Update-Lagrange有限元求解模式,只需在初始时刻迭代求解一个瞬时弹性大变形问题,其它时段均不需迭代计算,并可通过展开阶数对计算精度的控制,实现时域的自适应计算,数值算例表明所提算法可行有效。     

牛顿迭代一致性算法及其在板弹塑性有限元分析中的应用

本文简略讨论了有限载荷增量弹塑性有限元分析中传统切线刚度法丧失精度和牛顿迭代平方收敛速度的原因,并提出保持牛顿迭代平方收敛速度、保证一阶精度和无条件稳定性的一致性算法.一致性算法具备以下两个特征:1)采用路径无关计算格式;2)采用一致弹塑性切线模量。根据一致性算法构造出以弯矩和曲率为基本变量的弹塑性板弯曲有限元NIDKQ元。数值结果表明NIDKQ元具有令人满意的精度,同时验证了有限载荷增量下牛顿迭代一致性算法的平方收敛率特性,而传统切线刚度法随着塑性区的扩展将大大降低收敛速度。     

一种结构动力时程分析的积分求微方法

传统采用微分求积(differential quadrature,DQ)法求解动力问题时都是以位移响应作为基本未知量,而将速度响应和加速度响应表示为位移响应的加权和的形式.如此做法需要处理线性方程组或者矩阵方程(Sylvester方程)才能求得动力响应,导出的算法一般为有条件稳定算法.本文利用动力响应的Duhamel积分解,逆用DQ原理,提出了一种计算卷积的高精度显式算法.该算法可以逐时段地求解出动力时程响应,当各时段内DQ节点分布完全一致时,仅须进行一次Vandermonde矩阵求逆计算即可应用于各个时段,一次性获得时段内多个时刻的位移响应值,因而具有计算效率高的优点.通过分析动力方程积分格式,证明本文动力算法传递矩阵的谱半径恒等于1,因而该算法具有无条件稳定特性,且计算过程中不会产生数值耗散. 本文算法的数值精度取决于分析时段内布置的DQ节点数量$N$,具有$N-1$阶代数精度.实际操作时可以取10个甚至更多的DQ节点数,从而获得比较高的数值精度.      

无条件稳定的更新精细积分方法

提出将Pade逼近与精细积分方法中的指数矩阵运算技巧结合起来,建立了精细积分法的更新形式及计算过程,对该更新精细积分方法的稳定性进行了论证与探讨.结果表明,该更新精细积分方法是无条件稳定的,整个积分方法的精度取决于所取Pade逼近的阶数与高斯积分点的数量.数值例题也显示了该方法的高效率及其可行性.     

线性时不变系统集员辨识的区间算法

在不确定但有界(UBB)噪声假设下，提出一种针对线性时不变系统参数集员辨识的区间算法. 借助区间数学，寻求与观测数据和噪声相容的参数的最小超长方体(或区间向量)，推导了递 推列式，并分析了算法的收敛性. 此算法不仅可以给出参数估计值，还可以给出参数的不确 定性界限. 通过数值算例，将此算法与Fogel椭球算法和最小二乘算法进行了比较，显示 了其计算量小和精度高的优点。     

On the stable posture of a pair of parallel cylinders in a uniform flow *

The stable posture of a pair of parallel circular cylinders in a uniform flow was experimentally studied when it was free to rotate about an axis at the middle of the two cylinders. The cylinder pair comes to rest facing the oncoming flow side by side, the line connecting the centers of the two cylinders being perpendicular to the flow, when s/d = 0.5, where s is the distance between the center of rotation and the central axis of each cylinder and d is the diameter of the cylinder. When s/d = 1.0 or 1.5, the cylinder pair is stable both in tandem, with one cylinder behind the other, and in side-by-side arrangements to the oncoming flow. When s/d 2.0, the cylinder pair is stable only in tandem arrangements.     

一种基于Hamel形式的无条件稳定动力学积分算法

Time integration algorithm is a key issue in solving dynamical system. An unconditionally stable Hamel generalized α method is proposed to solve the instability issue arising in the time integration of dynamic equations and to eliminate the pseudo high order harmonics incurred by the spatial discretization of finite element simultaneously. Therefore, the development of numerical integration algorithm to solve the above-mentioned problems has important theoretical and application value. The algorithm proposed in this paper is developed based on the moving frame method and Hamel’s field variational integrators along with the strategy to construct an unconditionally stable Hamel generalized α method. It is shown that a new numerical formalism with higher accuracy can be derived under the same framework of the unconditional stable algorithm established through a special variational formalism and variational integrators. The above-mentioned formalism can be extended from general linear space to Lie group by utilizing the moving frame method and the Lie group formalism of the Hamel generalized α method has been obtained. Both the convergence and stability of the algorithm are discussed, and some numerical examples are presented to verify the conclusion. It is demonstrated by the theoretical analysis that the Hamel generalized α method proposed in the paper is unconditionally stable, second-order accurate and can quickly filter out pseudo high-frequency harmonics. Both conventional and proposed methods have been applied to numerical examples respectively. Comparisons between results of numerical examples show that the aforementioned advantages of the proposed method in terms of accuracy, dissipation and stability are tested and verified. At the same time, it can be developed that new numerical integration algorithms with even higher order accuracy. The scheme can also be proposed, which is suitable for both general linear space and Lie group space. A new way for constructing variational integrators is also obtained in this paper.      

多维SUPG格式不可压流动高精度算法研究

在传统流线迎风Petrov-Galerkin (SUPG)有限元法基础上，通过对稳定因子关键参数进行分析，提出了基于流向投影的最优特征高度参数确定方法，同时针对不可压流动引入变量分裂算法，发展了一种可用于高雷诺数不可压流动计算的高精度稳定化SUPG方法．详细地给出了三角形单元基于流向的最优特征高度确定方法的分析过程，并给出了基于分裂算法的有限元计算步骤和公式．采用该方法对典型的方腔拖曳、圆柱绕流流动问题进行了分析，在网格较稀疏，且雷诺数较大的情况下，依然可以得到稳定的计算结果，从而验证了该方法的稳定性、有效性，对实际工程应用具有积极的意义．     

一个求解浅水波方程的时域分段展开算法

发展了一种时域分段展开自适应方法求解一维非线性浅水波方程。通过时域分段展开,将一个非线性的时空耦合初边值问题转化为一系列的线性空间边值问题,并采用有限元方法递推求解;通过展开阶数的递进,实现了分段时域的自适应计算,当不同步长时可保持稳定的计算精度。研究结果表明,当步长较大而Heun’s法、四阶Runge-Kutta法不能得到合理结果时,本文算法仍能保证足够的计算精度。     

Spline function approximation in discrete mechanics

It is shown that the fundamental equations in discrete mechanics are consistency relations for a parametric spline function approximation. The formula which relates displacement and acceleration is of O((Δt)² and unconditionally stable in the sense of Dahlquist. This method is equivalent to two first order difference equations which relate velocity and acceleration, and displacement and velocity.