约束多体系统的基于离散零空间的隐式龙格库塔法

将离散零空间理论应用于多体系统动力学方程的数值计算,可降低多体系统动力学方程的维数。通过给出离散零空间理论与IRK法相结合的一般数学框架,提出了多体系统动力学的基于离散零空间理论的IRK法。数值算例表明：该算法可获得较满意的数值结果,约束违约程度很小,三种积分算法算例的范数均在10^-16之内。     

可展桁架结构展开过程分析

提出了一种分析构架式结构展开过程的有效算法。基于含多余广义坐标的动力学普遍方程 ,利用约束雅可比矩阵的零空间基引入一组准速率 ,得到独立的展开过程分析的动力学微分方程。为提高展开模拟的数值精度 ,文中提出了一种控制展开过程几何违约、速度违约和能量违约的数值稳定算法。该算法求解效率高 ,能和任意数值积分方法结合使用 ,能分析大型的构架式可展结构的展开过程     

一种基于Hamel形式的无条件稳定动力学积分算法

时间积分算法是求解动力学系统的一个核心问题.动力学方程的时间积分经常会出现数值不稳定现象,有限元空间离散也通常会造成伪高频振荡,因而,发展解决上述问题的数值积分算法具有重要的理论价值.本文基于Hamel场变分积分子,通过新的数值积分算法的构造方法,提出了一种无条件稳定的Hamel广义α方法,具体内容包括:构造特殊的变分形式,利用变分积分子等工具,建立无条件稳定的数值积分算法;在相同框架下,提出更高精度的数值格式;结合活动标架法的特性,将算法的一般形式推广到李群空间,得到Hamel广义α文所提出的Hamel广义α方法是无条件稳定的,具有二阶精度并且能够快速过滤掉虚假的高频振荡.数值算例的结果显示,本文所提方法具备了传统方法的精度、耗散和稳定性优势,既适合一般的线性空间,也适用于李群空间,同时还可以发展高阶精度算法.本文发展了构造变分积分子的新模式.     

多体系统Euler-Lagrange方程的最小二乘法与违约修正

针对受完整约束的多体系统动力学Euler-Lagrange方程,在其传统的直接增广算法和零空间方法基础上提出了当系统存在冗余约束情形下的最小二乘法.同时,对应于最小二乘法提出了改进的约束违约修正方法.本文还针对Euler-Lagrange方程的计算过程给出了相应Jacobi矩阵的QR分解和零空间连续正交基的算法.最后,以平行五连杆机构给出了数值结果并与部分现有方法进行比较.     

车-桥系统耦合振动响应的简便计算

依据振动理论推导出了二自由度模型车辆与桥梁系统竖向耦合振动微分方程，采用模态分析的离散化方法，将复杂的偏微分方程问题转化为变系数常微分方程问题，并将微分方程数值积分的Runge-Kutta方法引入到该时变系统的振动响应计算中，使复杂的耦合响应问题得到简便的解决。通过算例验证了该方法的有效性和简便性。该方法只需要直接数值积分，具有公式简单，编程方便，计算速度快等优点，特别适合于工程实际问题的计算，并且不仅适用于匀速运动车辆，也适用于变速运动车辆。     

可靠性优化问题中遗传算法适应值函数的建立

应用遗传算法进行优化,约束的处理成为建立适应值函数和算法进行的关键.可靠性优化是以系统可拿性指标作为优化问题的约束条件.首先结合外罚函数法建立数学模型,处理约束的惩罚因子时根据种群情况白适应取值,构造适应值函数的映射公式.随后采用拉格朗日秉子法建立了新的约束与目标函数向适应值函数的映射公式,该公式可以避免因罚函数病态所导致的搜索终止,收敛更加快速,使遗传算法得以成功应用于可靠性优化问题中.分析计算结果表明乘子法具有更好地收敛效果,两个公式构造合理.     

求解一维理想磁流体方程的移动网格熵稳定格式

磁流体方程的数值求解在等离子体物理学、天体物理研究以及流动控制等领域具有重要意义,本文构造了用于求解理想磁流体动力学方程的基于移动网格的熵稳定格式,此方法将Roe型熵稳定格式与自适应移动网格算法结合,空间方向采用熵稳定格式对磁流体动力学方程进行离散,利用变分法构造网格演化方程并通过Gauss-Seidel迭代法对其迭代求解实现网格的自适应分布,在此基础上采用守恒型插值公式实现新旧节点上的量值传递,利用三阶强稳定Runge-Kutta方法将数值解推进到下一时间层。数值实验表明,该算法能有效捕捉解的结构(特别是激波和稀疏波),分辨率高,通用性好,具有强鲁棒性。     

类电磁机制算法研究与改进

针对原算法中初始种群不均匀、局部搜索随机性强及移动公式效率低等问题,提出了一种改进的类电磁机制算法。采用随机化均匀设计方法构造初始种群,将混沌搜索与试探性移动方法相结合进行局部搜索,运用改进后的公式计算粒子之间的合力,将遗传变异思想融入移动公式来更新粒子。实验结果表明,改进后的算法具有更好的收敛效果和更高的求解精度。     

几何构造分析中的等效变换

对于不能由组成规则进行几何构造分析的一些体系, 给出了几种等效变换的处理方法.经等效变换后将体系化成了可以用组成规则进行几何构造分析的体系. 说明了几种等效变换的合理性及其适用范围.     

类电磁机制算法研究与改进

针对原算法中初始种群不均匀、局部搜索随机性强及移动公式效率低等问题,提出了一种改进的类电磁机制算法。采用随机化均匀设计方法构造初始种群,将混沌搜索与试探性移动方法相结合进行局部搜索,运用改进后的公式计算粒子之间的合力,将遗传变异思想融入移动公式来更新粒子。实验结果表明,改进后的算法具有更好的收敛效果和更高的求解精度。     

结构动态载荷识别的精细逐步积分法

对比例阻尼系统给出了基于精细逐步积分法的动态载荷识别方法。首先将系统进行模态坐标变换得到无耦合运动方程 ,然后应用精细逐步积分法构造一种高效精确的载荷识别公式 ,再由量测到的结构动态响应求出动态力的时间历程。数值算例验证了本方法的识别精度是好的     

基于(α, β)变换和距离变换的三维弱奇异边界积分近奇异性消除方法

通过非线性变换求解三维弱奇异积分时,变换的雅可比消除了被积函数的奇异性。然而,当积分单元形状较差,如顶角过大或者顶角边长比过大时,弱奇异积分中的近奇异性仍然存在,这将导致弱奇异积分计算精度低甚至计算结果完全错误。因此,本文提出了一种基于(α, β)变换和距离变换的弱奇异积分中的近奇异性消除方法,用于精确计算三维弱奇异积分。首先通过(α, β)变换消除弱奇异积分中α方向的奇异性,并分离出β方向的近奇异性;然后针对β方向的积分函数形式,构造对应的距离变换来消除其近奇异性;最后给出具有大顶角和大边长比的弱奇异积分数值算例。结果表明,采用(α, β)变换和β方向距离变换相结合的方案可以精确计算不同单元形状的弱奇异积分。     

Estimates of accuracy of approximate solutions of some combined modular elastic continuum systems with discrete interaction

At present, it happens increasingly often that one needs to study complicated modular systems with discrete interaction between the units. If a system contains a distributed unit, then it is said to be combined. One method for studying such systems is to analyze their frequency models; in this case, it is sometimes required to calculate the Green functions of the distributed unit and study the block structures generated by a model of a system with superelements. A technique for studying such systems was developed in [1] and is called the factorized perturbation method; in foreign literature, this technique is called the Green function method (e.g., see [2]).The main idea of such methods is first to construct an equivalent system in the characteristic space that arises in the discrete macrostructure of the original system as a result of the discrete interaction between the units of the latter and then to reduce the characteristic solution to the original solution by using a simple transfer relation. A typical characteristic of structural methods is their algorithmic universality, which is independent of the special form of the discrete microstructure and requires solving a characteristic matrix equation. To obtain approximate solutions by these methods, one should approximately calculate the Green functions of the distributed units and explicitly indicate their operating frequency ranges ( see [3, 4]). The concept of structural methods is to obtain a system solution by using a priori studied elements.There are a variety of methods for studying combined modular systems. In view of this, the accuracy of the approximate solutions, which are also obtained by numerous methods, should be estimated from the algorithmic standpoint. At present, this is done at the level of practical-empirical considerations like doubling the number of grid points for the analysis of the distributed unit, taking into account additional vibration modes in the Green functions, etc.In the present paper, we describe a structural method for solving elastic one-dimensional distributed systems with discrete interaction and present an efficient scalar a priori estimate and a universal a posteriori estimate for the accuracy of an approximate solution, which can be used in many approximate methods, e.g., FEM [5].     

改进的遗传算法求解桁架的拓扑优化

提出了一种改进的遗传算法,用于优化具有离散尺寸、连续形状和0-1拓扑变量的桁架问题。考虑到离散和连续变量的本质,文中提出了混合编码方法,其中包括二进制和实数编码,整数和实数编码。本文采用了凝聚选择法-基于约束和适应度值双重标准,完全适应约束问题的本质。在优化过程中,初始种群和算子具有不确定性,因此有必要检验结构拓扑的合理性。为了增强算法的可靠性,采用了改进的重新开始算子,引入新基因并且探索新空间。求解了典型的算例,证明改进的遗传算法是可行且有效的。     

Birkhoff系统的一类积分不变量的构造

分别建立了自由Birkhoff系统和约束Birkhoff系统的非等时变分方程,并且利用系统的Birkhoff方程及其非等时变分方程证明,可由第一积分直接构造该系统基于非等时变分的一类积分不变量。文中,举例说明结果的应用。     

稀薄流到连续流的气体运动论模型方程算法研究

通过引入碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数对BGK模型方程进行修正，确定含流态控制参数可描述不同流域气体流动特性的气体分子速度分布函数的简化控制方程。发展和应用离散速度坐标法于气体分子速度空间，利用一套在物理空间和时间上连续而速度空间离散的分布函数来代替原分布函数对速度空间的连续依赖性。基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散差分格式，建立直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值方法。推广应用改进的Gauss-Hermite无穷积分法和华罗庚－王元提出的以单和逼近重积分的黄金分割数论积分方法等，对离散速度空间进行宏观取矩获取物理空间各点的气体流动参数，由此发展一套从稀薄流到连续流各流域统一的气体运动论数值算法。通过对不同Knudsen数下一维激波管问题、二维圆柱绕流和三维球体绕流的初步数值实验表明文中发展的数值算法是可行的。     

结构损伤诊断的改进灵敏度方法

提出一种改进的灵敏度方法用于工程结构损伤检测中.通过在迭代算法中引入一个“加速”公式来迅速获得足够精确的识别结果,避免了多次迭代,可以大大减少计算花费.用文献[8]和文献[10]中的两个数值算例对所提方法进行了验证,并把结果和原文中的计算结果进行比较.结果表明:采用改进的方法一般只需经过一次计算即可获得精度更高的识别结果,避免了多次迭代,显著减少了计算花费,显示了改进方法突出的优越性.     

A novel statistical linearization solution for randomly excited coupled bending-torsional beams resting on non-linear supports

A novel statistical linearization technique is developed for computing stationary response statistics of randomly excited coupled bending-torsional beams resting on non-linear elastic supports. The key point of the proposed technique consists in representing the non-linear coupled response in terms of constrained linear modes. The resulting set of non-linear equations governing the modal amplitudes is then replaced by an equivalent linear one via a classical statistical error minimization procedure, which provides algebraic non-linear equations for the second-order statistics of the beam response, readily solved by a simple iterative scheme. Data from Monte Carlo simulations, generated by a pertinent boundary integral method in conjunction with a Newmark numerical integration scheme, are used as benchmark solutions to check accuracy and reliability of the proposed statistical linearization technique.

     

Central finite volume methods for ideal and shallow water magnetohydrodynamics

We propose two‐dimensional central finite volume methods based on our multidimensional extensions of Nessyahu and Tadmor's one‐dimensional non‐oscillatory central scheme and a constrained transport‐type method to solve ideal magnetohydrodynamic problems (MHD) and shallow water magnetohydrodynamic problems (SMHD). The main numerical scheme is second‐order accurate both in space and time and uses an original Cartesian grid coupled to a Cartesian‐ or diamond‐staggered dual grid to by‐pass the resolution of the Riemann problems at the cell interfaces. To treat the non‐vanishing magnetic field/flux divergence we have constructed an adaptation of Evans and Hawley's constrained transport method specifically designed for central schemes. Our numerical results show the efficiency and the potential of the scheme. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.