开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅰ)DAEs求解算法构架设计

基于开放式工程与科学计算集成化软件平台SiPESC,研发了用于多体系统动力学时程分析的一类通用求解算法构架。该构架的核心思想是算法与数据相分离,整个构架由五个基本类及子类组成。本文重点阐述基本类的抽象过程,利用插件技术设计求解器的构架,进一步应用该构架实现了Newmark方法,HHT(HilberHughes-Taylor)方法,Generalizedα方法,Bathe方法及祖冲之类Symplectic方法等微分-代数方程组(DAEs)求解器的开发。研究工作表明,本文所提出的DAEs求解算法构架对多体系统动力学的时程分析具有良好的开放性和通用性,可方便进行各种新的DAEs求解算法的动态扩展。     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅱ)DAEs求解算法对比

研究求解微分-代数方程组(DAEs)的高效率、高精度和高稳定性数值积分方法一直是多体系统动力学领域的热点问题之一。本文将求解结构动力学方程的Bathe数值积分策略应用于DAEs的求解,并基于SiPESC平台开发了开放式多体系统动力学仿真算法软件,综合比较研究了Newmark法、HHT-I3法、Generalizedα方法、Bathe方法和祖冲之类Symplectic方法。通过复摆、刚-柔耦合双摆和对称陀螺三个数值算例研究了算法参数与数值阻尼的关系。数值实验表明,Newmark方法在特定参数下引入的数值阻尼通常不可控,HHT-I3方法、Generalizedα方法和Bathe方法通过选择特定步长和参数可引入可控的数值阻尼,祖冲之类Symplectic方法无数值阻尼。在求解真实高频和低频耦合问题以及高速旋转的陀螺问题时,采用祖冲之类Symplectic方法或者无耗散的Newmar方法能够对系统的高频成分进行准确模拟。     

基于θ1方法的多体动力学数值算法研究

将结构动力学领域的\theta_1方法拓展到数值求解多体系统运动方程------微分--代数方 程(DAEs), 分别求解指标-3 DAEs形式的运动方程和指标-2超定DAEs (ODAEs)形式的运动方程. 通过数值算例验证了方法的有效性, 并得到\theta _1 方法中参数\theta _1的选取与数值耗散量之间的关系. 数值算例还说明对于同 一个多体系统, 采用指标-3的DAEs 描述时存在速度违约, 用指标-2的ODAEs描述时, 从计算机精度上讲, 位置和速度约束方程 同时满足, 并且\theta_1方法在求解非保守系统DAEs和ODAEs形式的运动方程时 都具有2阶精度. 最后\theta_1 方法与其他直接积分法求解DAEs和ODAEs形式运 动方程的CPU时间进行了比较.     

多体动力学超定运动方程广义-α求解新算法

完整约束多体系统第一类Lagrange方程建模得到的运动方程是指标-3形式的微分-代数方程(differental-algebraic equations,DAEs).如果同时考虑速度约束,将得到超定运动方程,该方程是指标-2的超定微分-代数方程(over-determined differential-algebraic equations,ODAEs).基于结构动力学中常用的广义-α方法,将其拓展,求解包含速度约束的超定运动方程,相对于其他求解指标-2 ODAEs的算法,新的算法没有增加离散得到的非线性方程组方程的数目.通过数值实验验证算法,并说明其求解ODAEs不存在精度降阶的现象,仍然具有二阶精度,同时算法的数值耗散也是可以控制的.最后新方法与其他求解多体系统ODAEs形式运动方程算法的CPU时间进行了比较分析.     

NEW GENERALIZED-a METHOD FOR OVER-DETERMINED MOTION EQUATIONS IN MULTIBODY DYNAMICS

完整约束多体系统第一类Lagrange方程建模得到的运动方程是指标-3形式的微分-代数方程（differental-algebraicequations,DAEs）．如果同时考虑速度约束,将得到超定运动方程,该方程是指标-2的超定微分-代数方程（over．determineddifferential-algebraicequations,ODAEsl．基于结构动力学中常用的广义-OZ方法,将其拓展,求解包含速度约束的超定运动方程,相对于其他求解指标-2ODAEs的算法,新的算法没有增加离散得到的非线性方程组方程的数目．通过数值实验验证算法,并说明其求解ODAEs不存在精度降阶的现象,仍然具有二阶精度,同时算法的数值耗散也是可以控制的．最后新方法与其他求解多体系统0DAEs形式运动方程算法的CPU时间进行了比较分析．     

基于开放式结构有限元系统SiPESC.FEMS的动力时程分析通用算法构架

基于开放式结构有限元分析软件系统SiPESC.FEMS,针对动力时程分析算法共性,采用C++面向对象程序设计方法和软件设计模式,研发了一种结构动力分析通用算法构架。构架的核心思想是算法与数据模型相分离,从而实现算法通用性,整个构架由四个基本类及子类构成。本文重点阐述了基本类的抽象过程和通用接口的设计思想,给出了利用插件技术实现算法构架的步骤。利用该构架已实现了Newmark法、Wilson-θ法、中心差分法及改进中心差分法,并进行数值验证。研究工作表明,算法构架适用于通用时程积分算法,可方便地进行动态扩展,具备良好的开放性和重用性。     

多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Lagrange方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一,其方程的形式为常微分方程组或微分 - 代数方程组,数值计算与数值分析是研究多体系统动力学特性的重要方法.本文简要介绍了多体系统动力学方程的第一、二类Lagrange方程和修正的Lagrange方程的基本形式及这些方程的正则形式,着重介绍了正则方程在数值计算中的特点,就多体系统Lagrange方程的隐式算法、辛算法和多体系统动力学特性的数值分析方法(包括数值仿真、Poincar'e映射和Lyapunov指数的计算方法)的研究现状进行了综述.     

树形多体系统动力学约束力算法

多体系统高效动力学算法一直是多体系统动力学的重要研究方向. 近年来,众多高效算法虽然在提高解算效率方面取得了一定研究成果,但大多无法直接给出多体系统的显式动力学方程或解算系统约束力. 基于以上问题,研究了适用于任意树形多体系统动力学解算的约束力算法(constraint force algorithm, CFA) 及其串行化应用. 约束力算法可在解算多体系统动力学的过程中对系统约束力进行求解,该算法串行化后计算量仅与自由度成线性关系. 通过分析树形多体系统中任意节点处的动力学、运动学递推关系并讨论系统方程的组集方法,将仅适用于链状系统的算法推广至任意树形系统,并给出了其串行化应用方法以提高算法效率. 在数值仿真中,将所提算法与递推算法进行对比,验证了所提出的约束力算法的准确性;此外,通过对比4 种不同算法在相同工作环境下解算同一模型时的处理器运行时间,证实了串行化约束力算法的高效性.      

多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Lagrange方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一, 其方程的形式为常微分方程组或微分-代数方程组,数值计算与数 值分析是研究多体系统动力学特性的重要方法。本文简要介绍了多 体系统动 力学方程的第一、二类Lagrange方程和修正的Lagrange方 程的基本形式及这些方程的正则形式,着重介绍了正则方程在数值 计算中的特点,就多体系统Lagrange方程的隐式算法、辛算法和多 体系统动力学特性的数值分析方法(包括数值仿真、 Poincarè映射 和Lyapunov指数的计算方法)的研究现状进行了综述。     

多体系统摩擦接触问题的DAE-LCP方法

当多体系统的约束全部是摩擦接触时, 其动力学问题可归结为一个常微分方程(ordinarydifferential equation, ODE)与线性互补问题(linear complementarityproblem, LCP)的混合动力学问题. 如果除了摩擦接触之外还增加了光滑的双边约束, 则需要将ODE-LCP混合动力学模型推广为微分代数方程(differential algebra equation, DAE)与LCP的混合动力学模型. 该文采用DAE与LCP混合动力学方法求解不考虑碰撞但同时含有持续摩擦接触及光滑等式约束的多体系统动力学问题. 在建立系统动力学模型时,首先将含摩擦的约束从系统中移去得到基本动力学系统. 由于基本系统中带有等式约束, 所以基本系统的动力学方程为一组DAE. 结合基本系统的DAE与约束的互补条件便可以得到DAE-LCP混合动力学模型. 数值计算采用基于DAE与LCP的步进(time-stepping)算法, 将系统动力学方程及其约束离散化并转化为一个混合LCP进行求解. 该算法无需进行滞-滑状态检测, 避免了事件检测导致的繁复计算. 利用所提方法对典型机构的非光滑非线性特征进行了数值分析,验证了该文方法的正确有效性.      

An algorithm for isentropic flow

An efficient algorithm is presented for the solution of the equations of isentropic gas dynamics with a general convex gas law. The scheme is based on solving linearized Riemann problems approximately, and in more than one dimension incorporates operator splitting. In particular, only two function evaluations in each computational cell are required. The scheme is applied to a standard test problem in gas dynamics for a polytropic gas.     

非概率可靠性指标空间搜索算法

考虑不确定参数为区间变量,研究求解非概率可靠性指标的空间搜索算法。针对功能函数呈非线性性态的特征,采用切平面与G=0平面交线对非线性功能函数进行线性化处理,利用等倾线与等效线性功能函数的交点确定迭代点。经优化搜索,当功能函数取0值时,确定了最可能失效点,进一步确定非概率可靠性指标。经数值算例验证了本文提出的优化搜索算法具有较高的搜索效率,与相关结果比较验证了算法的正确性。     

Uniform algorithm for all-speed shock-capturing schemes

Many ideas exist for the development of shock-capturing schemes, such as Roe, Harten–Lax–van Leer (HLL) and advection upstream splitting method (AUSM) families, and their extension for all-speed flow. A uniform algorithm that expresses the three families in the same framework is proposed in this study. The algorithm has an explicit physical meaning, provides new understanding and comparison of the mechanism of schemes, and may play a significant role in further research. As an example of applying the uniform algorithm, the low Mach number behaviour of the schemes is analysed. A clear and simple explanation is provided based on the wall boundary, and a concise rule is proposed to determine whether a scheme has satisfied low Mach number behaviour.     

弹塑性结构优化的并行算法

本文给出了弹塑性结构优化设计的序列二次规划算法，分别考虑了弹塑性结构分析，灵敏度分析和二次规划的Ｌｅｍｋｅ算法的并行计算。针对弹塑性结构灵敏度的不连续性，比较了连续模型和间断模型的计算结果，结果是接近的。算例表明此算法有很好的并行性。     

An algorithm for rapid image segmenting

As a first step in image processing applications it is often required to identify pixels above a threshold intensity level which contact one another. Sorting marker particles when the particle images cover many pixels is an obvious fluid mechanical application. With the present procedure, the image is scanned line by line once. The procedure is rapid, and can be continued across the boundary of the domain, for example, when the data is a long time series which must be artificially broken into image blocks for computer processing. The use of the algorithm is demonstrated on a variety of complex shapes, and estimates of speed of execution are given. The timing results show that the incremental time per bright region scales roughly as the square root of the number of bright regions. In addition, if bright regions fill more than (roughly) ten per cent of the total array space, the execution time per additional bright region becomes negligible.     

一种适用于金星气动捕获的预测制导算法

针对金星探测制动捕获过程速度增量需求大、燃料携带量多的问题,结合金星稠密大气环境特点,分析了利用气动阻力捕获降轨的可行性,提出了一种基于解析预测修正制导算法的气动捕获方案,可在短时间内进入目标圆轨道,达到节省燃料、实现快速轨道调整的目的。根据飞行任务特点,将纵向和侧向运动解耦,纵向运动控制基于预测制导算法,侧向运动由倾侧角翻转控制实现。仿真结果表明,所采用的制导方法能够有效克服初始误差和参数不确定性的影响,具有较强的鲁棒性。     

Fractional step algorithm for estuarine mass transport

A successful and economical fractional step algorithm for the convection-dispersion-reaction equation is described. Exact solutions are adopted for the reaction and convection steps, the latter by the introduction of a moving co-ordinate system. The dispersion step uses an optimized finite difference algorithm which specifically accommodates the grid non-uniformity. The excellent performance of the algorithm is confirmed by numerical experiments together with computations of the Fourier response and integrated square error characteristics.     

高动态载体高精度捷联惯导算法

捷联惯导系统的精度是导航的关键.传统的捷联惯导算法受惯性传感器更新速率限制,其精度和实时性在高动态下受到极大影响.在研究传统捷联惯导算法的基础上,建立了统一的捷联惯导微分方程,并提出了基于一次采样的四阶龙格库塔捷联算法,降低了惯性器件采样频率对捷联解算周期的限制.利用设计的基于DSP的半物理仿真系统验证表明,该算法能有效满足高动态下捷联惯导算法的实时性要求,定位精度提高约1倍,具有重要的工程应用价值.