基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之一：变分原理和算法构造

提出了哈密顿动力系统的一个新变分原理,并基于此变分原理构造了四类保辛算法。通过新的变分原理定义修正作用量,然后将位移和动量采用拉格朗日多项式近似,并采用高斯积分对时间近似积分得到近似的修正作用量。在修正作用量的基础上,通过选择时间步两端不同的位移或动量作为独立变量,可构造四种不同类型的保辛算法。     

基于非传统哈密顿变分原理的高阶辛算法

给出了非传统哈密顿变分原理的一种简化形式,并在此基础上利用拉格朗日多项式近似位移和动量,采用高斯积分法对时间积分,建立了针对动力学初值问题的一类高阶辛算法。在建立高阶辛算法的过程中,本文方法与基于传统哈密顿变分原理的辛算法不同,无需由端值问题向初值问题转换,因此更加简捷有效。此外,给出了线性动力问题中本文算法保辛性的证明。当位移、动量的插值次数和高斯积分点个数均为m时,本文算法是具有2m阶精度的辛算法,且是线性无条件稳定的。通过数值算例结果表明,本文算法与辛算法性质吻合,并且计算效率比同阶辛龙格库塔法提高了约50%。     

基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之三：数值算例

文献[1,2]给出了四种不同类型的求解哈密顿动力系统的数值方法,并证明了它们的保辛特性。本文将讨论这四类算法的具体数值性能,包括算法的线性稳定性,精度和效率等。     

有限变形问题过程最优控制算法

在非增量算法的基础上,提出了用最优控制变分原理形成过程最优控制迭代求解的基本思路,并给出求解的基本控制方程。这一工作为有限变形力学问题的数值求解提供了一个新的处理方法。     

非线性轨迹优化问题的保辛自适应求解方法

非线性轨迹优化问题一般是一个非线性最优控制问题。将非线性系统的最优控制问题导入到哈密顿体系的辛几何空间当中,基于对偶变量变分原理提出了求解非线性最优控制问题的一种保辛自适应方法。以时间区段两端协态作为独立变量,在时间区段内采用拉格朗日插值近似状态和协态变量,并利用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,保持了哈密顿系统的辛几何结构。并进一步,提出了基于多层次迭代的自适应算法,提高了非线性最优控制问题的求解效率。数值实验验证了该算法在求解非线性轨迹优化问题中的有效性。     

基于对偶变量变分原理的完整约束系统保辛算法

基于对偶变量变分原理，选择积分区间两端位移为独立变量，构造了求解完整约束哈密顿动力系统的高阶保辛算法。首先，利用拉格朗日多项式对作用量中的位移、动量及拉格朗日乘子进行近似；然后，对作用量中不包含约束的积分项采用Gauss积分近似，对作用量中包含约束的积分项采用Lobatto积分近似，从而得到近似作用量；最后，在此近似作用量的基础上，利用对偶变量变分原理，将求解完整约束哈密顿动力系统问题转化为一组非线性方程组的求解。算法具有保辛性和高阶收敛性，能够在位移的插值点处高精度地满足完整约束。算法的收敛阶数及数值性质通过数值算例验证。     

关于线粘弹性动力学中各种变分原理

本文提出一条简单而统一的新途径,系统地建立了线粘弹性动力学中各种简化Gurtin型变分原理,文中首先给出一个很有用的以卷积表示的积分关系式,然后从该式出发,系统地导出成互补关系的五类变量、四类变量、三类变量、二类变量及一类变量简化Gurtin型变分原理,并清楚地阐明它们之间的内在联系,而且,还发现当前在国际上有广泛影响的力学变分原理方面的名著[1]及文[2]中,所给出的四个变分原理的泛函式均有误.本文除给出这四个正确的泛函式外,还建立了一些新的更一般广义变分原理。     

用变分法估计热爆炸临界状态参数

本文利用作者给出的关于爆炸临界状态的变分原理,并用变分的直接方法,得到了六种不同形状(平板、无限长圆柱,球,无限长方形杆,有限长圆柱,正方体)系统的临界P-K参数和临界温度的近似公式,与精确的数值计算结果比较表明,对点火临界参数,本文公式均能给出较好的估计值。     

不可压流体饱和多孔弹性梁的变分原理及有限元方法

基于不可压饱和多孔弹性梁动力弯曲的数学模型,建立了以多孔弹性梁挠度和孔隙流体压力等效力偶为宗量的Gurtin型变分原理,并给出了特殊边界条件下解耦时的仅以挠度为宗量的变分原理.同时,作为动力响应的退化情形,讨论了拟静态情形下的相应变分原理.根据所建立的变分原理,导出了一个有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是关于时间的卷积型的泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分一积分方程组,此方程组可进一步转化为常微分方程组.利用隐式Euler法,给出了时间区域的计算格式.作为一个数值例子,分析了饱和多孔弹性悬臂梁在自由端简谐载荷作用下的动力响应,分析了流相与固相相互作用对饱和多孔弹性悬臂梁动力响应的影响.     

一类铁电模型的参变量变分原理及其应用

将参变量变分原理引入铁电问题。对一类借用了经典弹塑性理论中的概念和方法的多轴铁电模型建立基于Helmholtz自由能的参变量变分原理,可以有效处理传统变分原理中由非关联流动法则或屈服面不考虑材料系数变化所引起的切线模量非对称困难。相应于参变量变分原理,引入参数二次规划算法,可获得具有可靠数值稳定性的一套铁电算法。将该算法应用于一个具体的铁电模型,数值计算结果表明本文方法的有效性。     

弹性力学广义混合变分原理及有限元广义混合法

近些年弹性力学中出现一种新型的变分原理,称为广义混合变分原理.特点是其泛函中包含某些可以任意选择的附加函数,称为分裂因子.新原理将弹性理论中现有的各主要变分原理都统一在一个框架中,并揭示出它们之间更深一层的相互关系.在应用方面,它提供了一个新的数学手段以建立有限元分析中的新模式.这些新模式已经显示出它们的优点:适当调节分裂因子,它们给出更好的数值解答,特别是,可用它们来处理有限元方法中棘手的病态问题.本文综述了线性及非线性弹性理论中的这种新型变分原理并就其在有限元中的应用作了讨论.      

极限分析中新的上、下限定理及其算法

本文给出在极限分析的一般变分原理[1]的基础上发展起来的极限乘子的新的上、下限定理[10],由这个新的上、下限定理决定的极限乘子的上、下限比经典的上、下限定理给出的更为靠近准确解。然后介绍了权因子的不同选择[5],并以新的上、下限定理为基础,建议了推求设限乘子的计算机算法,给出了利用这些算法得到的二个数值例子。     

极限分析中新的上、下限定理及其算法

本文给出在极限分析的一般变分原理[1]的基础上发展起来的极限乘子的新的上、下限定理[10],由这个新的上、下限定理决定的极限乘子的上、下限比经典的上、下限定理给出的更为靠近准确解。然后介绍了权因子的不同选择[5],并以新的上、下限定理为基础,建议了推求极限乘子的计算机算法,给出了利用这些算法得到的二个数值例子。     

第二类抛物型变分不等式中的MRM方法

本文讨论了第二类抛物型变分不等式中的MRM(多重互易方法)方法。首先采用时间项半离散和隐格式方法将抛物型变分不等式化解为一个椭圆变分不等式，然后利用MRM-边界积分方程，将其化解为MRM-边界混合变分不等式，并给出了MRM-边界混合变分不等式解的存在唯一性。说明了该MRM-边界混合变分不等式与常规边界积分方程得到的边界混合变分不等式是一致的，并且具有更容易编程实现。这为使用MRM边界元方法数值求解抛物型变分不等式提供了方法和理论依据。文末给出了数值算例。     

论耦合热弹性力学中各种Gurtin型变分原理

本文提出了一条比巳有文献更简单更直接的新途径,系统地建立了耦合热弹性力学中各种Gurtin型变分原理。文中首先给出一个重要的以卷积表示的积分关系式,然后从该式出发,系统地导出成互补关系的八类变量、七类变量、六类变量、五类变量、四类变量、三类变量及二类变量的变分原理。而Nickell和Sackman,Carlson所给出的变分原理,只是本文所建立的新的更一股广义变分原理的部分特殊形式。并且,通过这条新途径,不仅能清楚地阐明各种Gurtin型变分原理之间的内在联系,而且能说明仅以应力场和热流场为独立变量的变分原理的建立过程。     

有限元法的基础——变分原理在非保守问题中的应用

对非保守机械系统,传统的哈密顿变分原理不能认为是正确的。因此,对那种类型的系统,有限元法的一个合适基础似乎不存在.本文将指出用另一个适当的泛函代替啥密顿的时间积分以及用一个拟标量积代替标量积,可以建立一个适当的函数空间,在那个函数空间中,传统的非保守系统——即关于能量是非保守的系统具有保守系统的性质。尤其是,在新的函数空间中,可以类似于哈密顿原理建立起变分原理。所以,有限元法用于非保守机械系统如同在通常的保守系统的应用一样地方便。最后用跟随力(follower forces)的非保守系统来说明这个理论.     

变水深环境下中厚度浮板耦振问题的一个变分解

本文从Reissner 板的理论出发,提出并论证了变水深环境下中厚度浮板耦振问题的一个局部变分原理,它是建立中厚度浮板各种近似分析方法的一个有力工具,借助这个变分原理,文中还导得了一个计算中厚度浮板固有频率的一个变分式,数值算例表明本文方法具有精度高和省机时的优点。     

拟协调罚有限元法

本文将拟协调元方法应用于罚函数有限元中。与减缩积分法不同,本方法采用多套函数去逼近单元的应变,而不涉及形成单刚时所采用的数值积分的阶次。本文将这种方法用于解决线弹性不可压缩和中厚板弯曲问题,并给出若干算例和数值结果,又给出了相应的广义变分原理。     

相空间中非保守系统的Herglotz广义变分原理及其Noether定理

与经典变分原理相比,基于由微分方程定义的作用量的Herglotz广义变分原理给出了非保守动力学系统的一个变分描述,它不仅能够描述所有采用经典变分原理能够描述的动力学过程,而且能够应用于经典变分原理不能适用的非保守或耗散系统.将Herglotz广义变分原理拓展到相空间,研究相空间中非保守力学系统的Herglotz广义变分原理与Noether定理及其逆定理.首先,提出相空间中Herglotz广义变分原理,给出相空间中非保守系统的变分描述,导出相应的Hamilton正则方程;其次,基于非等时变分与等时变分之间的关系,导出相空间中Hamilton-Herglotz作用量变分的两个基本公式;再次,给出Noether对称变换的定义和判据,提出并证明相空间中非保守系统基于Herglotz变分问题的Noether定理及其逆定理,揭示了相空间中力学系统的Noether对称性与守恒量之间的内在联系.在经典条件下,Herglotz广义变分原理退化为经典变分原理,与之相应的相空间中的Noether定理退化为经典Hamilton系统的Noether定理.文末以著名的Emden方程和平方阻尼振子为例说明上述方法和结果的有效性.     

基于Uzawa算法的弹塑性扭转问题的局部微分求积法

研究了由椭圆变分不等式描述的弹塑性扭转问题,构造了基于Uzawa算法的局部微分求积法,给出了数值算例,通过与有限元方法的比较,说明了方法的有效性。