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.     

结构动力方程的增维精细积分法

对线性定常结构动力系统提出的精细积分方法,能够得到在数值上逼近于精确解的结果,但对于非齐次动力方程涉及到矩阵求逆的困难。提出采用增维的办法,将非齐次动力方程转化为齐次动力方程,在实施精细积分过程中不必进行矩阵求逆,这种方法对于程序实现和提高数值稳定性十分有利,而且在大型问题中计算效率较高,从而改进了精细积分方法的应用,数值例题显示了本文方法的有效性。     

非线性动力方程的增维精细积分法

对线性定常结构的动力系统提出的精细积分法，能得到在数值上逼近于精确解的结果。但是对于非齐次动力方程却涉及到矩阵求逆的困难，而且通常与时间有关的非齐次项不能进入精细积分的细化过程。采用增维的方法，将非齐次动力方程化为齐次方程，在实施精细积分的过程中不必进行矩阵求逆。这种处理方法对于程序实现和提高数值计算的稳定性十分有利，而且在大型问题中可明显提高计算效率，数值算例显示本文方法是有效的。     

光滑边域连续-非连续细胞自动机在裂纹开裂扩展中的应用

针对岩石裂纹开裂扩展问题，将应变光滑技术与连续-非连续细胞自动机方法相结合，构建了非连续裂纹贯穿单元和裂纹尖端单元光滑应变场，提出快速自适应光滑边域连续-非连续细胞自动机方法.构建了裂纹面位移非连续精细表征的非连续增强形函数，建立了裂纹贯穿单元和裂纹尖端单元的光滑应变矩阵求解方法，利用高斯散度定理将单元的区域积分转换为光滑域边界线积分，推导给出了光滑边域连续-非连续细胞自动机应变矩阵计算表达式，并提出了快速自适应更新方法，建立了加速因子随元胞更新而同步更新的自适应加速算法，基于此，最佳加速因子随更新自动获得，收敛速度较传统细胞自动机方法得到极大提高.利用C++编制了分析计算程序，针对多裂纹开裂扩展过程进行了模拟，并与扩展有限元进行了比较.研究发现，光滑边域连续-非连续细胞自动机方法在解的精确性、稳定性和收敛性上较扩展有限元有显著优势.     

精细辛算法的高效格式和简化计算

对精细辛几何算法设计了高效的迭代过程，减少了精细积分的计算量，同时提出了精细辛算法的简化形式，避免了复杂的矩阵求逆运算，并给出了相应的误差估计，最后编制了程序进行验证，证明了所采取的方法能够使计算快捷，精度高，稳定性好．     

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。     

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.     

精细积分方法的发展与扩展应用

钟万勰院士于1991年首先提出计算矩阵指数的精细积分方法,其要点是2^N类算法和增量存储。精细积分方法可给出矩阵指数在计算机意义上的精确解,为常微分方程的数值计算提供了高精度、高稳定性的算法,现已成功应用于结构动力响应、随机振动、热传导以及最优控制等众多领域。本文首先介绍矩阵指数精细积分方法的提出、基本思想和发展;然后依次介绍在时不变/时变线性微分方程、非线性微分方程以及大规模问题求解中发展起来的各种精细积分方法,分析了其优缺点和适用范围;最后介绍了精细积分方法的基本思想在两点边值问题、椭圆函数和病态代数方程等问题的扩展应用,进一步展示了该思想的特色。     

矩阵指数精细积分方法中参数的自适应选择

讨论了基于Pad逼近的矩阵指数精细积分方法中加权系数N和展开项数q的自适应选择问题.参数(N,q)的选择直接影响到矩阵指数计算的精度和效率.采用矩阵函数逼近理论,研究了参数Ⅳ和q的增加对精度的影响程度,据此,提出了参数(N,q)优化组合的递推自适应选择方法.该方法可以根据矩阵本身的性态选择合适的参数(N,q),而参数选择的计算量与矩阵指数的计算量相比几乎可以忽略,这对于增强矩阵指数精细积分方法的适应性和提高计算效率是很有益处的.算例验证了该方法的正确性和有效性.     

饱和两相介质动力固结问题时域求解的精细时程积分方法

针对u-p形式的饱和两相介质波动方程,采用精细时程积分方法计算固相位移u,采用向后差分算法求解流体压力p,建立了饱和两相介质动力固结问题时域求解的精细时程积分方法。针对标准算例,对该方法的计算精度进行了校核。开展了该方法相关算法特性的研究,对采用不同数值积分方法计算非齐次波动方程特解项计算精度的差异进行了对比研究,并对采用不同积分点数目的高斯积分法计算特解项条件下计算精度的差异进行了对比研究。研究结果表明,(1)该方法具有良好的计算精度。(2)计算非齐次波动方程特解项的数值积分方法中,梯形积分法的计算精度最差,高斯积分法、辛普生积分法和科茨积分法都具有较好的计算精度。(3)增加高斯积分点数目对于提高计算精度的作用并不显著。     

非齐次动力方程Duhamel项的精细积分

提出了不需要矩阵求逆运算的求解Duhamel积分项的精细积分方法.通过将精细积分法的关键思想--加法定理和增量存储--直接应用于Duhamel积分响应矩阵的求解,可给出当非齐次项分别为多项式、正弦/余弦以及指数函数等基本形式时Duhamel积分在计算机上的精确解.特别的,该算法不依赖于系统矩阵(或相关矩阵)的形态.当系统矩阵奇异或接近奇异时,其优越性更为显著.算例验证了该算法的有效性.     

关于动力分析精细积分算法精度的讨论

对动力问题分析的精细积分算法的精度问题进行深入研究,并在此基础上提出对原有的算法的改进策略,改进后的算法可以较好地克服算法精度对积分时间步长的依赖性问题。     

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.     

High order symplectic conservative perturbation method for time-varying Hamiltonian system

This paper presents a high order symplectic conservative perturbation method for linear time-varying Hamiltonian system.Firstly,the dynamic equation of Hamiltonian system is gradually changed into a high order perturbation equation,which is solved approximately by resolving the Hamiltonian coefficient matrix into a "major component" and a "high order small quantity" and using perturbation transformation technique,then the solution to the original equation of Hamiltonian system is determined through a series of inverse transform.Because the transfer matrix determined by the method in this paper is the product of a series of exponential matrixes,the transfer matrix is a symplectic matrix;furthermore,the exponential matrices can be calculated accurately by the precise time integration method,so the method presented in this paper has fine accuracy,efficiency and stability.The examples show that the proposed method can also give good results even though a large time step is selected,and with the increase of the perturbation order,the perturbation solutions tend to exact solutions rapidly.     

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.      

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域 求解的推进算法研究

在采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluiddynamics-discrete element method, CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时, 颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率. 为此, 本文选取每个目标颗粒为研究对象, 引入插值函数计算时间步的运动位移, 构建可变空间搜索网格; 通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表, 采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒, 从而提出一种改进的DEM方法(modified discreteelement method, MDEM). 该算法在颗粒群与流体耦合计算中, 颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制, 通过自动调整和修正实现大步长, 由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步, 使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决, 为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法. 通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟, 得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数, 与理论计算结果的相对误差均低于2%, 与传统的DEM碰撞搜索算法相比, 在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度, 且有较高的计算效率. 通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟, 采用传统的CFD-DEM方法, 只有颗粒计算时间步选取10$^{-6}$ s或更小才能得到精确解, 而采用本文方法取10$^{-4}$ s也能够得到精确解, 避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题, 且计算耗时降低了16.7%.