基于算法复杂度理论的拟力法计算效率评价

算法复杂度理论是一种算法效率定量评价方法,该方法通过度量算法的复杂度来客观反映其执行效率,避免了计算机系统性能等因素对效率评价的影响。拟力法是一种高效的结构非线性分析方法,以往研究工作只是在非线性分析过程和运行时间上对计算效率进行了探索,并没有从理论上量化分析。本文采用算法复杂度理论对拟力法和传统变刚度非线性求解方法进行分析,给出了两种方法的时间复杂度函数,并对比了其计算效率进行定量,从数学角度解释了拟力法计算效率高的根本原因。算例对两种方法的时间复杂度和计算时间进行对比分析,直观地说明了拟力法在计算效率方面的优越性。     

空间刚架结构的广义逆力法

在结构计算中，根据算法中所采用的基本未知量的不同．结构分析方法可以分为力法、位移法和混合法。其中位移法由于适宜计算机处理而在结构计算领域得到了广泛的应用．经典力法相比之下应用就远不如位移法普遍，虽然力法本身在力学上有其独特的优势。广义逆矩阵做为一种较新的数学工具，自二十世纪五十年代诞生以来正日益表现出越来越旺盛的生命力。广义逆力法就是一种基于力法和广义逆矩阵理论的新的迭代算法。这种算法是一种完全适合计算机处理的力法方法。该算法的思路以及对于求解线弹性空间刚架结构问题的具体公式均在文中给出并给出了算例。从算例计算结果可以看到广义逆力法有着较好的计算效率和计算精度。该算法的提出为力法在计算机计算领域的应用开拓了新的发展空间。该算法在材料非线性问题和结构并行计算方面也有着较好的应用前景。     

混合高斯粒子滤波在组合导航中应用的计算量分析

针对组合导航中出现的线性非线性混合滤波实现过程中的计算量问题,给出了一种混合高斯粒子滤波改进算法的计算量分析方法。根据该滤波算法特点,分析并总结了一种理论获取粒子滤波计算量的方法,据此定量的分析了该算法的计算量。并以SINS/GPS组合导航系统为例,具体分析了混合高斯粒子滤波算法计算量问题。仿真结果验证了该计算量理论分析方法的有效性。该方法同样可以推广到一般粒子滤波和其它非线性滤波算法中,能在理论上解决组合导航系统中非线性滤波计算量及滤波时间的计算仿真问题。     

分数阶对称金融模型复杂度分析及有限时间同步

分析了一类分数阶对称金融非线性系统的复杂度特性,利用有限时间同步理论设计控制器,实现了有限时间同步。根据分数阶系统定义和Adomain分解法对该系统的非线性项进行Adomain分解,结合分解系数定义系统的表达式,将其离散化。基于谱熵复杂度及C0复杂度的基本算法,利用Matlab仿真其复杂度曲线及复杂度图谱。为进一步探究对称金融非线性系统的动力学特性,利用有限时间同步理论设计误差控制器,实现有限时间同步,仿真结果表明该控制器可使系统在极短的时间内实现同步且鲁棒性好。     

一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法研究

相比于传统的浮动坐标法,绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,但是对于ANCF的求解目前主要依据拉格朗日方程等分析力学原理建立微分代数方程(differential algebraic equation,DAE)进行,其算法复杂度为O(n2)或O(n3)(n为系统自由度),且求解过程存在位置或速度的违约问题.据此,研究了一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法(recursive absolute nodal coordinate formulation,RANCF).该方法采用ANCF描述大变形柔性体,借鉴铰接体递推算法(articulatedbody algorithm,ABA)思路建立多柔体系统逐单元的运动学和动力学递推关系,得到微分形式的系统动力学方程(ordinary differential equation,ODE).在ODE方程中,系统广义质量阵为三对角块矩阵,通过恰当的矩阵处理,可以得到逐单元求解该方程的递推算法.在此基础上,给出了RANCF算法的详细流程,并对流程中每个步骤进行了细致的算法效率分析,证明了RANCF是算法复杂度为O(n)的高效算法.RANCF方法保留了ANCF对大转动、大变形多柔体系统精确计算的优点,同时极大地提升了算法效率,特别在处理高自由度复杂多柔体系统中具有显著优势.并且该方法采用ODE求解,无DAE的违约问题,因此具有更高的算法精度.最后,在算例部分,通过MSC.ADAMS仿真软件、能量守恒测试、算法复杂度曲线对RANCF的正确性、计算精度和计算效率进行了验证.     

基于Armijo准则的自适应稳定转换法

结构可靠度分析是结构不确定性设计的关键环节,计算效率和鲁棒性是评估可靠度分析算法性能的两个重要指标。首先针对两个已有的一次二阶矩算法（iHL-RF算法和方向性稳定转化法）进行分析,发现iHL-RF算法根据Armijo准则可以自适应调整迭代步长,但计算效率低;方向性稳定转化法根据振荡的方向性可以提高计算效率,但自适应性差。结合两种算法的优点,将Armijo准则用于自适应调整方向性稳定转化法的混沌控制因子,提出了基于Armijo准则的自适应稳定转换法。通过四个非线性算例将本文提出的算法与HL-RF、iHL-RF、混沌控制法以及方向性稳定转换法等四种算法的收敛性和计算效率进行比较。结果表明,相比其他四种可靠度分析算法,本文算法在求解二维和多维非线性极限状态函数时均具有更好的收敛性和更高的计算效率。     

进化算法与确定性算法在优化控制问题中的收敛性对比

对比了进化算法(基因算法)与确定性算法(共轭梯度法)在优化控制问题中的优化效率．两种方法都与分散武优化策略-Nash对策进行了结合，并成功地应用于优化控制问题。计算模型采用绕NACA0012翼型的位流流场．区域分裂技术的引用使得全局流场被分裂为多个带有重叠区的子流场，使用4种不同的方法进行当地流场解的耦合，这些算法可以通过当地的流场解求得全局流场解。数值计算结果的对比表明．进化算法可以得到与共轭梯度法相同的计算结果．并且进化算法的不依赖梯度信息的特性使其在复杂问题及非线性问题中具有广泛的应用前景。     

基于Armijo准则的自适应稳定转换法

结构可靠度分析是结构不确定性设计的关键环节,计算效率和鲁棒性是评估可靠度分析算法性能的两个重要指标。首先针对两个已有的一次二阶矩算法(iHL-RF算法和方向性稳定转化法)进行分析,发现iHL-RF算法根据Armijo准则可以自适应调整迭代步长,但计算效率低;方向性稳定转化法根据振荡的方向性可以提高计算效率,但自适应性差。结合两种算法的优点,将Armijo准则用于自适应调整方向性稳定转化法的混沌控制因子,提出了基于Armijo准则的自适应稳定转换法。通过四个非线性算例将本文提出的算法与HL-RF、iHL-RF、混沌控制法以及方向性稳定转换法等四种算法的收敛性和计算效率进行比较。结果表明,相比其他四种可靠度分析算法,本文算法在求解二维和多维非线性极限状态函数时均具有更好的收敛性和更高的计算效率。     

精细积分法在迷宫密封转子系统非线性动力学特性计算中的应用

基于Muszynska密封力模型,建立了迷宫密封转子系统的非线性动力学模型,将精细积分法推广应用于非线性情况,计算了迷宫密封不平衡转子系统的动力学特性,依据Floquet理论讨论其分岔特性。研究表明：在2^N类算法计算指数矩阵基础上提出的精细积分法和传统的数值计算方法相比,其精度高,在分析中通过取不同步长计算对比,表明该方法在某些情况下可以采取较大时间步长,有效提高了计算速度。     

基于性能的基础隔震结构地震易损性分析

对基础隔震结构进行基于性能的易损性分析。首先,建立了基础隔震结构基于拟力法的能量方程,提出基于变形和隔震层塑性耗能的损伤指标,定义隔震结构的四个损伤性能状态;然后,对隔震结构进行动力非线性分析,计算得到两种损伤指标的损伤值;最后,对损伤值进行线性统计回归分析,推导出结构发生各级破坏的概率计算公式,从而分别得到隔震结构基于两种损伤指标的易损性曲线。研究表明,基于隔震层塑性耗能的损伤指标更能合理反映该结构的损伤程度,为基于性能的隔震结构易损性分析提供了新的思路和方法。     

多柔体系统响应计算的子循环计算方法研究

过去近30年中,柔性多体系统动力学研究取得了巨大的进展,人们的兴趣集中在柔性多体系统建模、计算及实验研究等3个方面. Belytschko等于1979年提出的子循环算法已经成功地应用于结构动力响应的有限元计算中,然而有关柔性多体动力学的子循环算法研究尚未见报道. 该文提出了一种适合于柔性多体系统响应计算的中心差分类子循环算法,在将非线性微分-代数混合方程组(DAEs)缩并为纯微分方程组(ODE)的基础上,推导出快、慢变分量的同步更新公式和子步更新公式;在变量的数值积分过程中,采用能量平衡计算检查算法的稳定性;算例结果表明该算法可以在保持合适的精度要求下,有效地提高响应的计算效率;对积分步长进行摄动修正可以保持算法的稳定性.      

Nonlinear model predictive control based on Nelder Mead optimization method

In this paper, a model predictive control (MPC) scheme based on Hammerstein model is carried on. The use of such nonlinear models complicates the implementation of the MPC in terms of computational time and burden since a nonlinear and so a nonconvex optimization problem will result. The Nelder Mead (NM) algorithm, as a free derivative method, is used to solve the resulting optimization problem. NM algorithm proves its efficiency in terms of computation time and global optimum seeking that can be successfully exploited especially with fast dynamic systems. A comparative study between the NM algorithm and the gradient-based method (GBM) based on computation time is established. The efficiency of the NM algorithm is illustrated with SISO and MIMO examples compared to GBM algorithm.     

Time discretization methods in the computation of unsteady flow

对于不同非定常流动问题, 采用合适的时间离散方法,可有效提高数值精度和计算效率. 本文在总结传统时间离散方法的基础上,对近些年发展的非线性频域法、谐波平衡法、经典时间谱方法、时间谱元法、时间有限差分法等进行了系统地总结.根据离散形式的不同,将上述方法分为时域推进法、频域谐波法、时域配点法和混合方法4大类.首先简要介绍了各类方法的数学思想以及研究进展,并重点比较了(准)周期性非定常流动计算中各方法的精度、效率以及适用范围.然后, 对各种时间离散格式的特点进行总结,并就不同的非定常流动问题如何选择合适的时间离散方法给予了建议.最后, 对这些新型时间离散格式在工程中的应用进行了简要介绍,并对其发展方向进行展望.     

地下水流并行有限层方法及同伦反演研究

根据有限层求解格式存在的解耦性，实现了地下水三维流问题的高效并行化计算。在此基础上，结合非线性同伦方法，提出了地下水参数反演分析的并行同伦算法，利用MATLAB编译了相应的正反演计算程序。与已有解析解和有限差分解的对比以及数值算例，验证了并行化正反演方法及程序的正确性，探讨了并行算法的计算效率。研究表明，并行方法可以有效提高计算速度，较串行方法具有明显优势，同时同伦反演方法具有大范围收敛的特点，不依赖于参数值的初始选取。     

风致复杂结构随机振动分析的一种快速算法——谐波激励法

传统完全二次型组合(CQC)在计算复杂结构随机振动响应时存在计算量巨大的问题,尽管虚拟激励法(PEM)在确保计算精度和CQC方法相同的基础上提高了计算速度,使得复杂结构随机响应的进行分析成真正应用于工程实际,但PEM需要对激励的谱矩阵进行分解,对于处理多点随机激励问题依然比较烦琐。本文从周期图方法计算随机信号功率谱密度出发,提出了一种不需要进行谱矩阵分解即可进行结构随机振动分析的快速算法——谐波激励法,它在理论上和CQC方法同样具有相同精度,计算速度要快于已有的方法,并且由于不需要直接计算激振力的功率谱密度矩阵,因而降低了对内存的需求,算例表明本文方法的有效性。文中对不同方法的适应性也进行了讨论。     

Reduced augmented Lagrangian bi-conjugate gradient method for impact-contact problems

To avoid the numerical oscillation of the penalty method and non-compatibility with explicit operators of conventional Lagrange multiplier methods used in transient contact problems to enforce surface contact conditions, a new approach to enforcing surface contact constraints for the transient nonlinear finite element problems, referred to as “the reduced augmented Lagrangian bi-conjugate gradient method (ALCG)”, is developed in this paper. Based on the nonlinear constrained optimization theory and is compatible with the explicit time integration scheme, this approach can also be used in implicit scheme naturally. The new surface contact constraint method presented has significant advantages over the widely adopted penalty function methods and the conventional Lagrangian multiplier methods. The surface contact constraints are satisfied more accurately for each step by the algorithm, so the oscillation of numerical solution for the explicit scheme is depressed. Through the development of new iteration strategy for solving nonlinear equations, ALCG method improves the computational efficiency greatly. Project supported by State Education Commission Doctoral Foundation and Natural Science Foundation of Liaoning Province.     

An efficient method for structural optimization

Based on the dual theory of nonlinear mathematical programming and the second order Taylor series expansions of functions, an efficient algorithm for structural optimum design has been developed. The main advantages of this method are the generality in use, the efficiency in computation and the capability in identifying automatically the set of active constraints. On the basis of the virtual work principle, formulas in terms of element stresses for the first and second order derivatives of nodal displacement and stress with respect to design variables are derived. By applying the Saint-Venant's principle, the computational efforts involved in the Hessian matrix associated with the iterative expression can be significantly reduced. This method is especially suitable for optimum design of large scale structures. Several typical examples have been optimized to test its uasefulness.     

Self-adaptive one-dimensional nonlinear finite element method based on element energy projection method

The element energy projection （EEP） method for computation of super- convergent resulting in a one-dimensional finite element method （FEM） is successfully used to self-adaptive FEM analysis of various linear problems, based on which this paper presents a substantial extension of the whole set of technology to nonlinear problems. The main idea behind the technology transfer from linear analysis to nonlinear analysis is to use Newton＇s method to linearize nonlinear problems into a series of linear problems so that the EEP formulation and the corresponding adaptive strategy can be directly used without the need for specific super-convergence formulation for nonlinear FEM. As a re- sult, a unified and general self-adaptive algorithm for nonlinear FEM analysis is formed. The proposed algorithm is found to be able to produce satisfactory finite element results with accuracy satisfying the user-preset error tolerances by maximum norm anywhere on the mesh. Taking the nonlinear ordinary differential equation （ODE） of second-order as the model problem, this paper describes the related fundamental idea, the imple- mentation strategy, and the computational algorithm. Representative numerical exam- ples are given to show the efficiency, stability, versatility, and reliability of the proposed approach.     

随机结构非线性动力响应的概率密度演化分析

提出了随机结构非线性动力响应分析的概率密度演化方法．根据结构动力响应的随机状态方程，利用概率守恒原理，建立了随机结构非线性动力响应的概率密度演化方程．结合Newmark-Beta时程积分方法与Lax-Wendroff差分格式，提出了概率密度演化方程的数值分析方法．通过与Monte Carlo分析方法对比，表明所给出的概率密度演化方法具有良好的计算精度和较小的计算工作量．研究表明：随机结构非线性动力响应概率密度具有典型的演化特征，随着时间增长，概率密度曲线分布趋于复杂．