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.     

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.      

一种基于微分求积的空间分数阶扩散方程求解方法

通过微分求积建立求解变系数空间分数阶扩散方程的一种有效直接数值方法。基于Reciprocal Multiquadric和Thin-Plate Spline径向基函数推导两种逼近分数阶导数的微分求积公式，将所考虑的模型问题转化成易求解的常微分方程组，并采用Crank-Nicolson格式进行离散。给出5个数值算例，计算结果表明，只要径向基函数的形状参数选择恰当，本文方法在精度和效率上均优于一些现有算法。     

变截面梁动力响应的频域传递矩阵计算方法

为提高变截面梁振动分析的计算效率,提出了基于频域传递矩阵法的动力计算算法．首先,选择线速度、角速度、弯矩和剪力作为求解变量,通过Laplace变换将变截面梁的动力响应时域偏微分方程转换为频域常微分方程;然后,通过求解频域方程并结合协调和边界条件建立变截面梁的频域传递矩阵;通过构造傅里叶级数展开形式的时域响应函数,对变截面梁传递矩阵方法求解的频响函数进行Laplace逆变换,建立了变截面梁的固有特性计算和时域瞬态响应计算方法,最后,借助数值仿真软件,开发了变截面梁动力响应分析的计算程序．完成对算例的仿真计算和分析,并与有限元计算结果进行对比,数值结果验证了该方法的正确性和有效性．     

基于卷积非粘滞阻尼模型的超高层结构风效应分析

有限元方法中相对于对结构质量与刚度特性的描述,结构阻尼的描述仍具有较大的模糊性。随着新型建筑材料与复杂结构体系的发展,以及对计算机模拟要求的提高,阻尼作用的机理与相应阻尼模型的研究成为值得关注的问题。基于一种阻尼力与质点速度历程相关的卷积非粘滞阻尼模型,采用微分求积求解算法,对一个大型复杂超高层建筑结构的风振响应进行了分析,并与常用的比例粘滞阻尼模型进行了对比。对卷积非粘滞阻尼力模型系统的响应特征进行了分析,特别是该模型的松弛效应对结构响应的影响。另外,作为将这种新阻尼模型应用于实际工程的一次探索,本文采用微分求积算法,建立了一套可将该阻尼模型及其求解算法嵌入通用有限元软件的求解系统,可用于复杂结构的动力响应分析。     

丝束轴向变角度复合材料梁的弹性分析

丝束变角度复合材料具有变刚度的特点,因此其结构分析具有相当难度．本文采用状态空间法和微分求积法联合的半解析数值方法对丝束轴向变角度复合材料梁的弯曲问题进行研究．假设纤维方向角沿梁的轴向按照任意连续函数变化,选取位移和位移的一阶导数作为状态变量,建立了丝束轴向变角度复合材料梁弹性分析的状态空间方程,将状态变量对轴向坐标的导数采用微分求积法进行求解,进而可得问题的半解析数值解．通过与现有文献及ABAQUS计算结果的比较,验证了本文方法的正确性,并对微分求积法求解本问题的收敛性进行了分析．通过数值算例研究了纤维方向角沿梁轴向的变化对丝束轴向变角度复合材料梁的位移及应力分布的影响,研究结果可为该种结构的设计提供一定的参考．     

集中载荷作用下梯度复合材料梁的小波-微分求积法分析

将梯度复合材料梁作为平面应力问题处理,采用小波和微分求积混合法,对集中荷载作用下结构的响应进行了分析.考虑材料特性参数沿高度方向呈梯度分布,在该方向上采用广义微分求积法进行离散;鉴于广义微分求积法求解集中荷载问题精度不高的缺点,在梁的长度方向上引入对突变信号敏感的小波插值函数.数值计算表明,小波-微分求积混合法不仅保留了广义微分求积法高效的优点,而且能够很好地模拟结构局部化特征.     

DYNAMIC ANALYSIS OF BOUNDED DOMAINS BY SBFE AND THE IMPROVED CONTINUED-FRACTION EXPANSION

基于比例边界有限元理论框架,通过采用连分式展开和引入辅助变量,将有限域的动力刚度矩阵和质量矩阵采用高阶的矩阵表示. 采用改进的连分式法求解比例边界有限元方程中的动力刚度矩阵. 通过增加连分式展开的阶数,该求解方法能包含动力分析的主要频率范围. 针对结构自由度较多的系统当连分式阶数逐渐增大时,原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题,提出采用改进的连分式算法能有效地提高数值计算稳定性.通过对一正八边形的自由振动分析及矩形平面的时域分析,算例结果表明改进算法的鲁棒性更强,适合大规模系统的动力分析.     

求解非线性结构动力方程的预估校正-辛时间子域法

提出了求解非线性结构动力方程的预估校正-辛时间子域法。首先,将结构非线性动力方程转换为状态空间方程,在任一时间子域内利用改进的欧拉法对各离散时刻的状态变量值进行预估和校正。然后,将离散的非线性项用Lagrange插值多项式展开并视为外荷载,结合辛时间子域法即可求解非线性动力系统的响应。这种方法不必对状态矩阵求逆,无需计算高阶导数,计算简单,格式统一,易于编程。算例结果表明,本文方法具有较高的计算精度、效率和稳定性,是一种求解非线性结构动力方程的有效方法。     

一种基于块雅可比迭代的高阶FR格式隐式方法

最近, 基于非结构网格的高阶通量重构格式(flux reconstruction, FR)因其构造简单且通用性强而受到越来越多人的关注. 但将FR格式应用于大规模复杂流动的模拟时仍面临计算开销大、求解时间长等问题. 因此, 亟需发展与之相适应的高效隐式求解方法和并行计算技术. 本文提出了一种基于块Jacobi迭代的高阶FR格式求解定常二维欧拉方程的单GPU隐式时间推进方法. 由于直接求解FR格式空间和隐式时间离散后的全局线性方程组效率低下并且内存占用很大. 而通过块雅可比迭代的方式, 能够改变全局线性方程组左端矩阵的特征, 克服影响求解并行性的相邻单元依赖问题, 使得只需要存储和计算对角块矩阵. 最终将求解全局线性方程组转化为求解一系列局部单元线性方程组, 进而又可利用LU分解法在GPU上并行求解这些小型局部线性方程组. 通过二维无黏Bump流动和NACA0012无黏绕流两个数值实验表明, 该隐式方法计算收敛所用的迭代步数和计算时间均远小于使用多重网格加速的显式Runge-Kutta格式, 且在计算效率方面至少有一个量级的提升.      

求解含缺陷一维周期结构动力响应的高效算法

基于周期结构的动力特性和群理论，建立了一种高效求解含缺陷一维周期结构动力响应的数值方法。在求解结构动力响应时，高效求解结构对应的线性代数方程组最为关键。采用凝聚技术，可减小结构对应线性代数方程组的规模。基于周期结构动力系统中线性代数方程组的特性，通过一个小规模含缺陷结构和一维周期结构的响应分析，可得到含缺陷一维周期结构的动力响应。同理，一维周期结构的动力响应可通过一系列小规模结构的响应分析得到，且小规模结构的动力响应可基于群理论高效求解。数值算例表明，本文算法有较高的求解效率。     

非线性转子系统周期响应的分析

基于时域的时间有限元法,将描述转子系统动力学特征的非线性微分方程组离散成一组非线性代数方程,然后应用吴消去法的特征列思维对所得到的非线性代数方程组进行降维求解,进而得到待求节点位移响应的解形式,并据此对一具有非线性支撑的柔性Jeffcott转子模型响应的性质进行了分析。     

层状饱和土Biot固结问题状态空间法

针对饱和多孔介质空间非轴对Biot固结问题，引入状态变量，构造了两组相比独立的状态变量方程，利用Fourier级数和Laplace-Hankel变换，将状态变量方程转换为两组一阶常微分方程组，提出了均质饱和多孔介质空间非轴对称Biot固结问题的传递矩阵，得到以状态变量和传递矩阵乘积的形式表示的均质饱和多孔介质空间非轴对称Biot固结问题的解，利用层间完全接触的条件，可得到N层饱和多孔介质空间非轴对称Biot固结问题的一般解析表达式，文中考虑几种不同的边界条件，分析了两个算例，数值结果表明该方法具有较高的计算精度和良好的计算稳定性。     

Analytical Solution for Multi-Species Contaminant Transport Subject to Sequential First-Order Decay Reactions in Finite Media

Transport equations governing the movement of multiple solutes undergoing sequential first-order decay reactions have relevance in analyzing a variety of subsurface contaminant transport problems. In this study, a one-dimensional analytical solution for multi-species transport is obtained for finite porous media and constant boundary conditions. The solution permits different retardation factors for the various species. The solution procedure involves a classic algebraic substitution that transforms the advection-dispersion partial differential equation for each species into an equation that is purely diffusive. The new system of partial differential equations is solved analytically using the Classic Integral Transform Technique (CITT). Results for a classic test case involving a three-species nitrification chain are shown to agree with previously reported literature values. Because the new solution was obtained for a finite domain, it should be especially useful for testing numerical solution procedures.     

一种构造高维Nilpotent正规型的方法

正规型方法是一种有效的简化一类非线方程的方法。今提出了一种简便的代数方法去构造高维非线性系统的Nilpotent范式。通过引入一系列简单的变换和代数运算,而无需求解任何偏微分方程,即可得到高维非线性系统的Nilpotent范式。以四维非线性系统为例介绍这个方法。该方法完全适用于分析高于四维的非线性系统的Nilpotent范式。     

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...     

Nonlinear vibration of a two-mass system with nonlinear stiffnesses

An analytical approach is developed for nonlinear free vibration of a conservative, two-degree-of-freedom mass–spring system having linear and nonlinear stiffnesses. The main contribution of the proposed approach is twofold. First, it introduces the transformation of two nonlinear differential equations of a two-mass system using suitable intermediate variables into a single nonlinear differential equation and, more significantly, the treatment a nonlinear differential system by linearization coupled with Newton’s method and harmonic balance method. New and accurate higher-order analytical approximate solutions for the nonlinear system are established. After solving the nonlinear differential equation, the displacement of two-mass system can be obtained directly from the governing linear second-order differential equation. Unlike the common perturbation method, this higher-order Newton–harmonic balance (NHB) method is valid for weak as well as strong nonlinear oscillation systems. On the other hand, the new approach yields simple approximate analytical expressions valid for small as well as large amplitudes of oscillation unlike the classical harmonic balance method which results in complicated algebraic equations requiring further numerical analysis. In short, this new approach yields extended scope of applicability, simplicity, flexibility in application, and avoidance of complicated numerical integration as compared to the previous approaches such as the perturbation and the classical harmonic balance methods. Two examples of nonlinear two-degree-of-freedom mass–spring system are analyzed and verified with published result, exact solutions and numerical integration data.     

Solution to transient Navier–Stokes equations by the coupling of differential quadrature time integration scheme with dual reciprocity boundary element method

The two‐dimensional time‐dependent Navier–Stokes equations in terms of the vorticity and the stream function are solved numerically by using the coupling of the dual reciprocity boundary element method (DRBEM) in space with the differential quadrature method (DQM) in time. In DRBEM application, the convective and the time derivative terms in the vorticity transport equation are considered as the nonhomogeneity in the equation and are approximated by radial basis functions. The solution to the Poisson equation, which links stream function and vorticity with an initial vorticity guess, produces velocity components in turn for the solution to vorticity transport equation. The DRBEM formulation of the vorticity transport equation results in an initial value problem represented by a system of first‐order ordinary differential equations in time. When the DQM discretizes this system in time direction, we obtain a system of linear algebraic equations, which gives the solution vector for vorticity at any required time level. The procedure outlined here is also applied to solve the problem of two‐dimensional natural convection in a cavity by utilizing an iteration among the stream function, the vorticity transport and the energy equations as well. The test problems include two‐dimensional flow in a cavity when a force is present, the lid‐driven cavity and the natural convection in a square cavity. The numerical results are visualized in terms of stream function, vorticity and temperature contours for several values of Reynolds (Re) and Rayleigh (Ra) numbers. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

A new numerical technique for the analysis of parametrically excited nonlinear systems

A new computational scheme using Chebyshev polynomials is proposed for the numerical solution of parametrically excited nonlinear systems. The state vector and the periodic coefficients are expanded in Chebyshev polynomials and an integral equation suitable for a Picard-type iteration is formulated. A Chebyshev collocation is applied to the integral with the nonlinearities reducing the problem to the solution of a set of linear algebraic equations in each iteration. The method is equally applicable for nonlinear systems which are represented in state-space form or by a set of second-order differential equations. The proposed technique is found to duplicate the periodic, multi-periodic and chaotic solutions of a parametrically excited system obtained previously using the conventional numerical integration schemes with comparable CPU times. The technique does not require the inversion of the mass matrix in the case of multi degree-of-freedom systems. The present method is also shown to offer significant computational conveniences over the conventional numerical integration routines when used in a scheme for the direct determination of periodic solutions. Of course, the technique is also applicable to non-parametrically excited nonlinear systems as well.