基于Hamilton体系的辛半解析法在各向异性电磁波导中的应用

力学中的Hamilton体系使用对偶变量来描述问题,而电磁场正好有电场和磁场这一对对偶变量。本文将力学中的Hamilton体系应用到电磁波导问题。根据电磁波导的Hamilton体系理论,辛几何可用于任意各向异性材料。将横向的电场和磁场构成对偶向量,基于Hamilton变分原理做半解析横向离散,并保持结构辛体系。本文以各向异性材料电磁波导为例,求解了问题的辛本征值,得到了镜像线的色散曲线。     

变截面电磁波导的辛分析

电磁波导的求解可将基本方程导向Hamilton体系、辛几何的形式。横向的电场和磁场构成了对偶向量。辛体系便于处理不同介质波导的界面连接条件。正则对偶方程、分离变量法、Hamilton算子矩阵本征值问题、共轭辛正交归一关系、本征解的展开定理等整套理论,可以适用于多种波导的课题,有利于不同截面的波导连接、以及与共振腔的连接等。本文分析了两段不同材料不同截面对接的平面波导作为例题,表明辛体系用于波导的分析是有力的。     

周期电磁波导的能带辛分析

根据电磁波导的Hamilton体系,辛分析可用于任意各向异性材料,而且便于处理不同区段的界面条件。横向的电场和磁场构成了对偶向量。每段波导可以引入其两端的电磁刚度矩阵。对等截面的平面波导给出了通带和禁带解,又给出了截面突变连接的算法。运用能量原理的区段合并算法以生成波导基本周期的两端电磁刚度阵。此后,运用辛本征解就可对周期结构作出能带分析。     

电磁波导辛体系下的周期皱波导分析

基于Hamilton变分原理的电磁波导辛体系自建立以来解决了传统电磁有限元所不能解决的一些问题。本文在介绍这一体系之后,经半解析横向离散及辛正则化,给出了类凝聚和协调质量阵。针对常见的周期皱波导问题,引入等效折射率概念,将皱波导转化为折射率周期变化的多层薄膜,并将其对应为力学分析中的条形域问题。最后给出的数值例子中所计算的通带辛本征值与解析解很接近,表明该理论方法有很高的计算效率。     

对一般Hamilton体系近似解保辛条件的讨论

文献[1]给出的一般Hamilton体系近似解保辛的条件,尚需讨论。其中(3.5~6)的证明适用于v·=H(z)v的系统,要求H(z)是Hamilton矩阵,齐次方程。即使Hamilton矩阵是与位移有关的H(z,q),仍可适用。但一般Hamilton体系未必能表示为v·=H·v,例如存在有势外力的情况,此时是非齐次线性方程。故在一般情况下,近似解是否保辛的原则尚需明确。一般的Hamilton正则方程体系非线性,通常用数值积分近似求解,故时间坐标离散而成为长η的序列,离散坐标体系。分析结构力学[2]考虑了离散坐标的情况,其中证明了区段两端状态向量之间关系ζ=ζ(v)的微商S(v)是…     

电磁波导的通过谱计算

将电场和磁场变量构成对偶向量,将电磁波导的基本方程导向Hamilton体系、辛几何的形式。建立电磁波导问题的变分原理,构造电磁辛有限元。通过对本征值问题的求解,确定电磁波导的传播常数。采用主-从控制方法处理不同介质的界面条件。以不同截面形状的波导和部分填充波导为例进行了计算和分析,数值算例表明,辛体系用于电磁波导分析是有效的。辛体系在应用力学中的应用已经取得了很大成功,不同学科之间的交错对于电磁波导的分析是很有利的。     

电磁对偶有限元及在波导计算中的应用

力学中的Hamilton体系采用对偶变量描述问题。电磁场采用电场和磁场两类变量描述问题。将力学中的Hamilton体系引入到电磁场问题中，电场变量和磁场变量构成对偶变量，把频域电磁场的基本方程导向对偶方程形式，建立电磁场有限元所需的对偶变量变分原理，由此推导出电磁对偶有限元。将电磁对偶有限元应用于电磁波导计算中，可确定电磁波导的传播常数。文中给出了用电磁对偶有限元方法，计算矩形波导不同模式对应的传播常数的数值计算结果。     

固支矩形Mindlin板弯曲问题的辛求解体系

本文利用二类变量广义变分原理推出了Mindlin板弯曲问题的Hamilton体系,利用辛几何方法对全状态向量进行分离变量,得到相应的横向本征问题,在求出其本征值后,按本征函数展开法导出了原问题的辛本征通解。给出了一个承受集中载荷的四边固支矩形薄板的算例,按本文求解体系得到的解与经典解吻合较好。本文直接从Mindlin板弯曲问题出发,在其Hamilton体系内使用辛几何方法给出了的一套新的求解体系,突破了传统解法的局限性,具有一般性及较高的理论推广价值。     

电磁波导的奇异元与对偶有限元分析

基于电磁波导的对偶变量变分原理以及Hamilton正则方程,将含有奇异性的电磁场问题导入Hamilton体系下进行分析,通过分离变量及共轭辛本征函数向量展开法,构造出可以表征电磁场奇异性的奇异解析元。奇异元的采用克服了普通单元处理含有导电劈和介质楔的波导问题的困难,同时能够方便地与电磁对偶元相结合,保持了有限元方法的灵活性,具有较高的精度。     

广义Hamilton(控制)系统的离散梯度积分法

对于广义Hamilton系统及广义Hamilton控制系统，基于能量的Hamilton函数，用离散梯度方法给出了系统保持Hamilton函数特征的数值解法，证明了积分方法可有效地保持Hamilton函数随时间的变化率。通过算例说明了本文方法的有效性。     

非线性水波Hamilton系统理论与应用研究进展

概述了辛几何理论与辛算法在Hamilton力学中的应用，综述非线性水波的Hamilton理论研究进展．阐述非线性水波Hamilton变分原理与方法的优越性与局限性，探讨KdV方程和BBM方程的Hamilton描述、对称性与守恒律，提出非线性水波Hamilton描述研究中有待进一步研究的问题和解法设想．     

基于Hamilton体系的弹性力学问题的比例边界有限元方法

比例边界有限元方法是求解偏微分方程的一种半解析半数值解法。对于弹性力学问题,可采用基于力学相似性、基于比例坐标相似变换的加权余量法和虚功原理得到以位移为未知量的系统控制方程,属于Lagrange体系。但在求解时,又引入了表面力为未知量,控制方程属于Hamilton体系。因而,本文提出在比例边界有限元离散方法的基础上,利...     

二维非局部线弹性平面问题的辛分析

将二维非局部线弹性理论引入到Hamilton体系下,基于变分原理推导得出了二维线弹性理论的对偶方程和相应的边界条件.在分析验证对偶方程的准确性的基础上,该套方法被应用于二维弹性平面波问题的求解.将精细积分与扩展的W-W算法相结合在Hamilton体系下建立了求解平面Rayleigh波的数值算法.从推导到计算的保辛性确保了辛体系非局部理论与算法的准确性.通过对不同算例的数值计算,分析和对比了非局部理论方法与传统局部理论方法的差别,并进一步指出了该套算法的适用性和优势所在.     

A Universal Variational Formulation for Two Dimensional Fluid Mechanics

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎ 50’ｓ,ｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓｈａｄｂｅｅｎｍａｄｅｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｎｓｏｌｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓｗｉｔｈＨｕ＿Ｗａｓｈｉｚｕｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ(ＧＶＰ) [1]ａｓｍｉｌｅｓｔｏｎｅ ,ａｎｄｉｎｆｌｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓｗｉｔｈＣ .Ｃ .Ｌｉｎ’ｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ[2 ]ａｓｍｉｌｅｓｔｏｎｅ .Ｉｎ 80’ｓ,ＣｈｉｅｎＷｅｉ＿ｚａｎｇｄｅｄｕｃｅｄａｍｏｒｅｇｅｎｅｒａｌ…     

三维时间-空间混和有限元

基于分析动力学与分析结构力学在数学理论上的一致性,在有限元分析方面,同时对时间、空间坐标离散组成混和的时空有限元网格.然后利用Hamilton变分原理,取一次变分为零,导出三维混和元列式;混和元列式矩阵的对称性,保证了混和有限元保辛的性质.数值例题表明,时-空混和有限元能灵活地处理多尺度波动问题和变动边界问题.