动力学平衡方程的Euler中点辛差分求解格式

给出了动力学方程${\pmb M}\ddot {\pmb x} + {\pmb C}\dot {\pmb x} + {\pmb K \pmb x} = {\pmb R}$的二阶Euler中点隐式差分求解格式，分保守系统、无 阻尼受迫振动系统和阻尼系统3种情况, 讨论了算法中Jacobi矩阵${\pmb A}$的性质，譬 如${\pmb A}$是否为辛矩阵以及谱半径等. 对于无阻尼系统，证明了无论是否存在外 载荷，Jacobi 矩阵都是辛矩阵. 证明了辛矩阵的所有本征值的模为1，其谱半径永远 为1, 以及$\delta = 0.5$和$\alpha = 0.25$的Newmark算法就是Euler中点隐式差 分格式，对保守系统它们都是辛算法. 严格证 明了Euler中点辛格式是严格保持系统能量的. 通过算例详细讨论了保辛算法用于求解非保 守系统动态特性的优越性，如广义保结构特性等；分析了保辛算法的相位误差以及由其引起 的系统的附加能量特性；分析了保辛算法和$\delta \ne 0.5$的Newmark算法的精度随着激励频率与系统固有频率比的变化情况等     

非线性方程的保辛近似算法

保守体系的微分方程可用Hamilton体系的方法描述,其特点是保辛。两个辛矩阵之和不能保辛,两个辛矩阵的乘积仍是辛矩阵。最常用的小参数摄动法用的是加法,因此对辛矩阵不能保辛。从保辛的角度,要用正则变换。本文针对非线性微分方程,运用自变量坐标变换,对原系统进行变换。由此推导出变换后系统的变分原理。引入Hamilton对偶变量,通过数学变换,得到变系数非线性方程。针对该方程,本文提出了保辛摄动算法。通过数值算例,对不同步长下,保辛摄动法、多尺度摄动法、龙格库塔法和精确解的结果做了比较。数值例题表明,对于非线性方程,本文提出的保辛摄动算法有良好的精度。在步长增大的情况下,保辛摄动保持了良好的稳定性。     

WKBJ近似保辛吗?

WKBJ短波近似是最常用的有效求解方法之一。保守体系的微分方程可用Hamilton体系的方法描述,其特点是保辛。保辛给出保守体系结构最重要的特性。但WKBJ短波近似却未曾考虑保辛的问题。本文给出验证近似解保辛的条件,并指出WKBJ近似难于保辛。然后给出正则变换的摄动保辛方法。数值例题展示了提出的保辛算法的有效性。     

动力学平衡方程的辛两步求解算法

基于线性多步方法的构造格式和辛变换,给出了动力学方程的两种辛两步法求解格式,它们分别具有四阶精度和二阶精度,但都只有二阶格式的计算量,因此四阶辛两步法具有较大的应用价值。对两种辛两步法和解析解进行了数值比较,证明了二阶精度辛两步格式在一定条件下就是欧拉中点保辛算法,或δ=0.5和α=0.25的Newmark辛格式。     

平面刚体系统的参数预调节保辛算法

保辛积分方法在约束哈密顿系统中有着重要的应用,是因为其在长时间仿真中表现出极好的稳定性。然而随着仿真时长增加,保辛格式通常具有较大的相位误差累积。本文提出了一种平面多刚体系统的参数预调节保辛积分方法。通过推导具有待定参数的改进的拉格朗日方程,并将其与已有保辛格式相结合并预先调节相关参数取值,可以大幅降低数值解的相位误差。理论分析与数值结果表明参数预调节保辛积分方法不仅保持了辛结构,而且具有很低的相位误差累积。因此,参数预调节保辛积分方法可应用于长时间仿真分析。     

单步辛算法的相位误差分析及修正

若一个算法的幅值误差和相位误差都不累加，则该算法就是最理想的算法， 但这样的算法难以构造. 辛几何算法解决了幅值误差的累加问题，但相位误差累加问题仍然 存在. 给出了单步隐式辛算法相位误差的精确估计公式，提出了简单而实用的修正方法. 以 Euler中点隐式辛差分格式为例，针对几个线性动力学系统，对相位误差进行了数值分析和 修正.     

计算最优控制辛数值方法

针对最优控制问题（OCP）的辛数值方法研究及应用进行综述。主要涉及内容包括,动力学系统为常微分方程描述的一般无约束、含不等式约束和状态时滞的最优控制问题,微分代数方程描述的一般无约束、含不等式约束和含切换系统的最优控制问题,以及闭环最优控制问题。从间接法和直接法两个求解框架出发,重点介绍本课题组在保辛算法方面的研究工作。在间接法框架下,首先基于生成函数和变分原理,将OCP保辛离散为非线性方程组,再数值求解方程组。在直接法框架下,将OCP保辛离散为有限维的非线性规划问题（NLP）,再数值求解。针对闭环最优控制问题,提出了保辛模型预测控制、滚动时域估计和瞬时最优控制算法。研究表明,保辛算法具有高精度和高效率的特点,在航空航天和机器人等领域有着广泛应用前景和价值。     

基于混合Lie算子辛算法的不变流形计算

平动点附近周期轨道的不变流形因其在低能轨道转移中起着重要作用而受到广泛关注.在设计低能轨道过程中不变流形要实时进行能量匹配,但利用传统数值积分方法进行积分时能量会耗散.显式辛算法具有比隐式辛算法计算效率高的优势,但其要求Hamilton系统必须分成两个可积的部分,而旋转坐标系下的圆型限制性三体问题是不可分的,因而显式辛算法难以用于求解旋转坐标系下的圆型限制性三体问题.本文通过引入混合Lie算子,成功实现了带三阶导数项的力梯度辛算法对圆型限制性三体问题的求解,并将基于混合Lie算子的带三阶导数项的辛算法与Runge-Kutta78算法和Runge-Kutta45算法进行仿真对比,仿真结果表明基于混合Lie算子的含有三阶导数项的辛算法位置精度高、能量误差小且计算效率高.利用基于混合Lie算子的带三阶导数项的辛算法计算不变流形,可以实现低能轨道转移过程中轨道拼接点的能量精准匹配.     

高黏性流动有限元模拟的迭代稳定分步算法

分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中，已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质，必须采用小时间步长计算，不但降低了计算效率，同时也常与为使分步算法稳 分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中，已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质，必须采用小时间步长计算，不但降低了计算效率，同时也常与为使分步算法稳 定必须满足的最小时间步长要求冲突. 本文目的是构造一种含迭代格式的分步算法，它能在 保证精度的前提下大幅度地增大时间步长. 方腔流和平面Poisseuille流数值计算结果证实 了此特点，该方法被有效应用于充填流动过程的数值模拟.     

基于对偶变量变分原理和两端位移独立变量的保辛方法

将广义位移和动量同时用拉格朗日多项式近似,并选择积分区间两端位移为独立变量,然后基于对偶变量变分原理导出了哈密顿系统的离散正则变换和对应的数值积分保辛算法。当位移和动量的拉格朗日多项式近似阶数满足一定条件时,可以自然导出保辛算法的不动点格式。通过数值算例分析了位移和动量采用不同阶次插值所需最少Gauss积分点个数,并讨论了位移插值阶数、动量插值阶数以及Gauss积分点个数对保辛算法精度的影响,说明了上述不动点格式恰好是一种最优格式。     

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。     

NUMERICAL METHOD BASED ON HAMILTON SYSTEM AND SYMPLECTIC ALGORITHM TO DIFFERENTIAL GAMES

The resolution of differential games often concerns the difficult problem of two points border value (TPBV), then ascribe linear quadratic differential game to Hamilton system. To Hamilton system, the algorithm of symplectic geometry has the merits of being able to copy the dynamic structure of Hamilton system and keep the measure of phase plane. From the viewpoint of Hamilton system, the symplectic characters of linear quadratic differential game were probed; as a try, Symplectic-Runge-Kutta algorithm was presented for the resolution of infinite horizon linear quadratic differential game. An example of numerical calculation was given, and the result can illuminate the feasibility of this method. At the same time, it embodies the fine conservation characteristics of symplectic algorithm to system energy.     

An analytical symplectic approach to the vibration analysis of orthotropic graphene sheets

A nonlocal continuum orthotropic plate model is proposed to study the vibration behavior of single-layer graphene sheets (SLGSs) using an analytical symplectic approach.A Hamiltonian system is established by introduc-ing a total unknown vector consisting of the displacement amplitude,rotation angle,shear force,and bending moment. The high-order governing differential equation of the vibra-tion of SLGSs is transformed into a set of ordinary differential equations in symplectic space.Exact solutions for free vibra-tion are obtianed by the method of separation of variables without any trial shape functions and can be expanded in series of symplectic eigenfunctions. Analytical frequency equations are derived for all six possible boundary con-ditions. Vibration modes are expressed in terms of the symplectic eigenfunctions.In the numerical examples,com-parison is presented to verify the accuracy of the proposed method. Comprehensive numerical examples for graphene sheets with Levy-type boundary conditions are given.A para-metric study of the natural frequency is also included.     

哈密尔顿系统的连续有限元法及守恒性

利用常微分方程的连续有限元法,证明了线性哈密尔顿系统的连续一、二、三次有限元法为辛算法;对非线性哈密尔顿系统,本文证明了连续一次有限元在3阶量意义下近似保辛,且保持能量守恒,并在数值计算上探讨了守恒性和近似程度,结果与理论相吻合.     

具有奇异位置的多体系统动力学方程的隐式算法

本文研究了在运动过程中具有奇异位置的多体系统动力学方程的隐式算法，给出了隐式算法所用的Ｊａｃｏｂｉ矩阵，并建立了该矩阵中各子矩阵间的计算关系，提高了计算效率，计算结果表明隐式算法的计算速度和精度明显优于显式算法。     

带约束多体系统动力学方程的隐式算法

研究了带约束多体系统隐式算法,用子矩阵的形式推导出了多体系统正则方程的Ｊａｃｏｂｉ矩阵,它适用于多种隐式算法并给出了隐式Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ算法,最后用一算例表明了隐式算法的计算效率和精度明显优于算法。