精细积分方法的评估与改进

详细分析了结构动力分析的精细积分方法的稳定性、计算精度，在此基础上提出了对现有精细积分方法的改进策略。算例证实了本文对精细积分方法改进的科学性与可行性。     

二维CE/SE算法改进及其高阶精度格式

通过提出一种新的守恒元和解元划分方式对二维时-空守恒元解元算法(CE/SE)进行了改进,推导了改进CE/SE算法的一、二阶精度计算格式,并给出了更高阶精度计算格式的构造方法。利用得到的改进CE/SE格式对激波反射问题、后台阶扰流问题及隔墙坑道传播问题进行了数值模拟。数值结果表明,对CE/SE算法的改进是成功的。改进CE/SE算法有诸多优点,值得在数值模拟中推广使用。     

基于稀疏高斯积分的舰机传递对准滤波方法

针对舰机传递对准中的大姿态失准角问题,研究了稀疏高斯厄米特积分滤波在舰机传递对准中的应用。为了解决稀疏高斯滤波中积分点利用效率不高的问题,提出了一种改进的自适应各向异性稀疏高斯积分滤波算法,改进算法根据状态参数可观测度大小将积分变量分类并根据分类结果构造各向异性权重向量来控制各维通道积分的精度等级,进而对各变量通道的积分点数目进行合理分配。模拟轨迹下仿真结果表明,采用稀疏高斯滤波与采用改进算法的舰机传递对准精度相当,较无味卡尔曼滤波有所提高,对准精度由3?提高到2?;改进算法的积分点数目减少了30%⁶0%,提高了计算效率。     

一种求解瞬态热传导方程的无条件稳定方法

瞬态热传导问题普遍存在于航空航天、土木和冶金等领域中, 对这类问题精确、高效的数值求解方法一直备受关注. 为此, 本文提出了一种无条件稳定的单步时间积分方法. 在所提出的方法中, 拉格朗日插值函数被用来近似真实的温度场及其一次导数场, 之后, 加权残量法被用来建立二者之间的关系. 通过对算法参数的巧妙设计, 本文提出的方法具有二阶精度和L型数值耗散, 其中, L型耗散使得本文方法能够快速过滤掉虚假的高频振荡. 多数现有时间积分方法仅对线性系统具有无条件稳定性, 对非线性系统则是条件稳定的. 为此, 本文改进了Hughes针对一阶非线性热传导问题提出的时间积分方法稳定性评估理论, 并将改进的理论用于方法的参数设计中. 理论分析的结果表明本文方法对线性和非线性热传导系统均是无条件稳定的. 即使对于著名的Crank-Nicolson方法失稳的非线性热传导问题, 本文方法仍能给出稳定且精确的预测. 数值测试结果显示, 所提出的方法相较于当前流行的方法具有明显的精度、耗散和稳定性优势.      

黏性阻尼系统时域响应灵敏度及其一致性研究

时域响应灵敏度分析是时域梯度优化算法的基础. 灵敏度分析通常只涉及对设计变量的微分运算, 但时域响应灵敏度问题还涉及时间域的离散化. 因此, 微分和离散的先后顺序可能对时域响应灵敏度结果产生影响. 针对黏性阻尼系统时域响应灵敏度求解问题, 基于改进精细积分方法, 分别推导了先微分后离散和先离散后微分两种伴随变量方法. 其中, 先微分后离散法首先对由伴随变量构造的增广函数微分, 再利用改进精细积分方法在各离散时间点求解时域响应灵敏度; 而先离散后微分方法则首先在各离散时间点引入残值方程构造增广函数, 再对各增广函数进行微分以求解时域响应灵敏度. 通过数值算例验证了所提出方法的有效性和准确性, 并与传统基于Newmark的方法进行比较. 结果表明, 积分方案、数值离散误差以及离散和微分的先后顺序共同影响灵敏度的一致性误差. 综合考虑精度、效率和一致性问题, 基于改进精细积分的先微分后离散伴随变量法表现更优, 最适合应用于黏性阻尼系统时域梯度优化算法.      

桁架形状优化设计的模拟退火算法

针对桁架形状优化问题,提出了一种改进的模拟退火算法．在该算法中提高了计算精度、计算效率和通用性;针对桁架形状优化设计,采用多目标规划的思想,将离散变量优化和连续变量优化结合起来．数值算例验证了改进模拟退火算法的可行性和有效性．     

一种改进格林元方法及在渗流问题中的应用

采用格林公式和基本解推导出直接边界积分方程来求解渗流问题.边界积分方程数值离散基于格林元方法(Green element methond),改进了原方法中压力和压力导数的求解方法,命名为混合边界元方法(Mixed boundary element method).相较于格林元类方法,该方法显式考虑了求解节点的外法向流量值和压力值,并使求得的数值解在求解区域上能够连续,符合实际的物理过程,在不增加额外未知数的情况下提高了计算精度.分析了不同网格类型对模拟计算结果的影响,并对稳定渗流问题、非稳定(瞬态)渗流问题和非稳态问题进行了实例计算,结果显示改进方法提高了计算精度,并对各类渗流问题有较好的适应性.     

运动硬化材料本构关系的精确积分及其推广应用

考虑到弹塑性有限元分析中的每一增量步长或迭代之后,需要对材料本构关系进行积分,本文导出了运动硬化材料本构关系的精确积分。算法步骤简洁。将它推广应用于各向同性硬化材料和混合硬化材料时,对于径向加载情况,此积分仍是精确解;对于非径向加载情况,此积分是具有很高精度的近似解。计算结果表明本文提出的算法在精度和效率上改进了现行的子增量法的数值积分方案。     

钝头机体用嵌入式大气数据传感系统的改进三点式算法

针对传统的用于钝头体飞行器的嵌入式大气数据传感系统的经典三点式算法对测压孔配置约束性严格的特点,对经典三点式算法进行了改进及验证。首先,对于经典三点式算法及改进算法进行了论述;其次,针对不同测压孔配置对算法精度的影响进行了系统的评估;最后,对于传统的经典三点式算法与改进三点式算法的优劣进行了比较。结论为:(1)改进的三点式算法对于测压孔的配置敏感性变差,即对测压孔约束很宽松,可用测压孔数增加,从而使得算法的适用性更强;(2)改进的三点式算法的精度与三点式算法相当,但是需要对测压孔进行系统选取及对比验证。     

结构非线性动力分析混合时间积分并行算法

综合隐式和显式时间积分技术,对结构非线性动力反应分析提出一种并行混合时间积分算法.该算法采用区域分解技术.将并发性引入到算法中,即利用显式时间积分技术进行界面节点积分而利用隐式算法求解局部子区域.为实现并行混合时间积分算法,设计了灵活的并行数据信息流.编写了该算法的程序,在工作站机群实现了数值算例,验证了算法的精度和性能.计算结果表明该算法具有良好的并行性能,优于隐式算法.     

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.     

An adaptive algorithm of precise integration for transient analysis

This paper presents an improved precise integration algorithm for transient analysis of heat transfer and some other problems. The original precise integration method is improved by means of the inverse accuracy analysis so that the parameterN, which has been taken as a constant and an independent parameter without consideration of the problems in the original method, can be generated automatically by the algorithm itself. Thus, the improved algorithm is adaptive and the accuracy of the algorithm is not dependent on the length of the time step in the integration process. It is shown that the numerical results obtained by the method proposed are more accurate than those obtained by the conventional time integration methods such as the difference method and others. Four examples are given to demonstrate the validity, accuracy and efficiency of the new method. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19872016, 19872017), the National Key Basic Research Special Foundation (G1999032805) and the Foundation for University Key Teachers by the Ministry of Education of China.     

精细时程积分法的误差分析与精度设计

通过对精细积分法递推过程的误差分析，发现该方法能莸得高精度数值结果的根本原因是：数值计算的相对误差不随递推过程的进行而扩散。数值结果的精度仅仅取决于初始Taylor级数的计算精度和指数矩阵A的最大模特征。同时，提出了一种精度估计和精度设计的方法。     

A combined parametric quadratic programming and precise integration method based dynamic analysis of elastic-plastic hardening/softening problems

The objective of the paper is to develop a new algorithm for numerical solution of dynamic elastic-plastic strain hardening/softening problems. The gradient dependent model is adopted in the numerical model to overcome the result mesh-sensitivity problem in the dynamic strain softening or strain localization analysis. The equations for the dynamic elastic-plastic problems are derived in terms of the parametric variational principle, which is valid for associated, non-associated and strain softening plastic constitutive models in the finite element analysis. The precise integration method, which has been widely used for discretization in time domain of the linear problems, is introduced for the solution of dynamic nonlinear equations. The new algorithm proposed is based on the combination of the parametric quadratic programming method and the precise integration method and has all the advantages in both of the algorithms. Results of numerical examples demonstrate not only the validity, but also the advantages of the algorithm proposed for the numerical solution of nonlinear dynamic problems. The project supported by the National Key Basic Research Special Foundation (G1999032805), the National Natural Science Foundation of China (19872016, 50178016, 19832010) and the Foundation for University Key Teacher by the Ministry of Education of China     

波动方程的精细逐步积分法

应用现有的波动方程求解方法解决工程实际问题尚存在一定的局限性。本文在结构动力方程精细逐步积分的基础上,提出了波动方程初边值问题的精细逐步积分法,并分别给出了不同边界条件下的精细逐步积分格式。此数值方法虽然是显式积分方法,却是无条件稳定的。分别用精细逐步积分法和其它已有的方法对两个算例进行了计算,一个是有解析解的例子,该例验证了此方法的准确性,另一个例子是求解由波动方程及初始条件和边界条件组成的有杆抽油系统预测模型,此例验证了精细逐步积分法的高效性。     

结构动力方程的更新精细积分方法

将高斯积分方法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。在实施精细积分过程中不必进行矩阵求逆,整个积分方法的精度取决于所选高斯积分点的数量。这种方法理论上可实现任意高精度,计算效率较高,其稳定性条件极易满足。数值例题也显示了这种方法的有效性。     

一种广义精细积分法

提出了求解非齐次动力方程特解的一种精细数值积分法，该方法与通解 精细积分法具有相同精度. 首先选取一个积分形式的非齐次方程特解，将积分区域划分为 2$^{N}$份，并对之进行精细的数值积分；然后针对载荷为多项式、指数函数及三角函数的情 况，将积分求和转化为一个递推过程，按此只需$n$次矩阵乘法就能计算出积分和，从而得到 非齐次方程的特解. 该方法的优点是能与通解的精细积分过程有机地结合起来，具有极高的 精度和效率，同时还具有较广泛的适用范围. 算例结果证明了该方法的有效性.     

基于精细积分技术的非线性动力学方程的同伦摄动法

将精细积分技术（PIM）和同伦摄动方法（HPM）相结合，给出了一种求解非线性动力学方程的新的渐近数值方法。采用精细积分法求解非线性问题时，需要将非线性项对时间参数按Taylor级数展开，在展开项少时，计算精度对时间步长敏感；随着展开项的增加，计算格式会变得越来越复杂。采用同伦摄动法，则具有相对筒单的计算格式，但计算精度较差，应用范围也限于低维非线性微分方程。将这两种方法相结合得到的新的渐近数值方法则同时具备了两者的优点，既使同伦摄动方法的应用范围推广到高维非线性动力学方程的求解，又使精细积分方法在求解非线性问题时具有较简单的计算格式。数值算例表明，该方法具有较高的数值精度和计算效率。     

精细积分法应用于地震碰撞力反应谱计算研究

相邻结构的碰撞时程分析是计算地震碰撞力反应谱的基础。结构碰撞时程分析要求采用稳定性好、精度高及计算效率高的数值分析方法。精细积分法将二阶动力微分方程通过增元降阶的方式转换成Hamilton对偶变量体系,得到了动力微分方程的精确解。基于此,本文将精细积分法引入结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算中。在推导精细积分法公式的基础上,在MATLAB环境下编制了结构碰撞时程分析程序和碰撞力反应谱计算程序,并实现了碰撞力反应谱程序的并行化。经算例验证,精细积分法应用于结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算是可行的,程序计算结果准确。