求解非线性动力学方程的分段直接积分法

针对n维未知向量v的一阶微分方程dv/dt=Hv f(v,t）进行求解。首先，将非线性部分f(v,t)在所论时刻tk处用t-tk=T的j次多项式来近似，然后借助分段直接积分法，导出了各段内的、用T的解析函数表达的求解公式，通过选取j值，可获得一系列具有不同精度的近似解，便于研究非线性动力学行为与其物理参数的依赖关系。为适应实际计算，还全面讨论了上述多项式的确定方法，其中包括避免求f(v,t)导数的算法。算例表明所提出的方法不仅可用于求解非线性动力响应问题，而且对研究解的形态和稳定性，如对吸引子、极限环、二次Hopf分岔等的分析也不失为一个有效的工具。     

非线性结构动力学瞬态分析的摄动法

在用直接积分法求解非线性结构的动力响应时,常常需要做迭代运算。本文引入摄动方法后,加快了收敛速度,提高了计算效益。     

现代工程非线性动力学的现状与展望

本文综述非线性动力学近期取得重大发展的几个主要方面：内共振情况下系统的动态行为，非线性模态动力学，复杂非线性振动系统的分叉理论和奇异性分析方法，以及非光滑系统非线性动力学等的发展概况。     

一类分段光滑隔振系统的非线性动力学设计方法

分段光滑隔振系统是一类具备分段刚度或阻尼的非线性动力学系统,在振动控制领域中具有广泛代表性,诸如限位隔振系统、分级汽车悬挂等. 分段光滑的刚度或阻尼特性能够实现隔振系统的特定动力学性能及提升隔振性能,如抑制共振响应、提升共振区隔振性能等,但是亦会给隔振系统的动力学行为带来诸多不利影响. 以分段双线性分段光滑隔振系统为理论模型,系统研究了摒除不利于隔振的非线性动力学现象设计方法,包括幅值跳跃、周期运动的倍周期分岔等. 首先,利用平均法与奇异性理论给出了主共振频响曲线拓扑特征的完整拼图. 研究结果表明,参数空间分为4 个区域,其中2 个区域存在幅值跳跃,而其产生跳跃原因分别由鞍结分岔与擦边分岔所导致;基于此提出避免主共振跳跃的设计方法. 其次,建立了隔振有效区内周期运动的庞加莱映射,通过特征值分析给出了避免倍周期分岔发生的条件,证实增大阻尼可以抑制倍周期分岔的发生. 最后通过数值仿真分析了噪声对多稳态运动的影响. 研究结果发现在噪声影响下,分段光滑隔振系统的响应会在不同稳态间跃迁,非常不利于隔振. 因此,在完成跳跃与倍周期分岔的防治设计后,应采用数值仿真校验系统是否存在多稳态运动.      

静电驱动下微观曲梁的非线性动力学特性研究

研究微机电系统中微结构的动力学特性,对确保微机电系统的稳定运行具有重要的意义。以直流、交流电压作用下的微观曲梁为研究对象,采用Euler-Bernoulli梁模型、Galerkin数值离散方法,在考虑主共振的情况下使用多尺度法研究了两端固支微梁的非线性动力学特性和可能出现的跳跃、吸合现象。结果表明:直流、交流电压越大,阻尼值越小,系统表现出更强的非线性特性;系统对交流电荷载作用下的振动响应相对于直流电荷载更加敏感;随着曲梁拱形高度的增加,系统会依次出现软化和硬化两种不同的行为;系统在分岔点附近可能出现跳跃现象。研究结果可为合理选取物理参数和控制系统振动行为提供参考。     

多自由度非线性动力学方程的能量校准算法

针对非线性动力学方程,通过Taylor展开和Duhamel积分,得到一个具有待定参数的逐步积分求解公式;通过数学变换,将原动力学方程转换为一个能确定待定参数的能量校准方程;最后将该参数回代入逐步积分公式,得到数值解.数值算例的结果说明了该方法的有效性,可以消除算法阻尼和抑制数值解发散,同时,在大步长的条件下也得到了非常准确而且稳定的结果,可以对系统长期性态进行仿真.     

带约束非线性多体系统动力学方程数值分析方法

Lagrange方法是建立带约束多体系统动力学方程的普遍方法之一 ,其方程的形式为微分 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。本文利用缩并法给出了带约束多体系统动力学方程的隐式数值计算方法和Lyapunov指数的计算方法。将数值仿真、Lya punov指数计算和Poincare映射有机结合 ,分析非线性多体系统动力学行为。通过一个算例 ,说明该方法的有效性     

非线性动力学方程的精细积分算法

介绍用精细积分法求解动力学问题的原则和方法,通过实例证明用这种方法求非线性问题数值解的有效性．     

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.     

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。     

A PREDICT-CORRECT NUMERICAL INTEGRATION SCHEME FOR SOLVING NONLINEAR DYNAMIC EQUATIONS

A new numerical integration scheme incorporating a predict-correct algorithm forsolving the nonlinear dynamic systems was proposed in this paper. A nonlinear dynamic systemgoverned by the equation v=F(v,t) was transformed into the form as v=Hv f(v,t). Thenonlinear part f(v,t) was then expanded by Taylor series and only the first-order term retained inthe polynomial. Utilizing the theory of linear differential equation and the precise time-integrationmethod, an exact solution for linearizing equation was obtained. In order to find the solution of theoriginal system, a third-order interpolation polynomial of v was used and an equivalent nonlinearordinary differential equation was regenerated. With a predicted solution as an initial value andan iteration scheme, a corrected result was achieved. Since the error caused by linearization couldbe eliminated in the correction process, the accuracy of calculation was improved greatly. Threeengineering scenarios were used to assess the accuracy and reliability of the proposed method andthe results were satisfactory.     

AN IMPLICIT SERIES PRECISE INTEGRATION ALGORITHM FOR STRUCTURAL NONLINEAR DYNAMIC EQUATIONS

Nonlinear dynamic equations can be solved accurately using a precise integration method. Some algorithms exist, but the inversion of a matrix must be calculated for these algorithms. If the inversion of the matrix doesn‘t exist or isn‘t stable, the precision and stability of the algorithms will be affected. An explicit series solution of the state equation has been presented. The solution avoids calculating the inversion of a matrix and its precision can be easily controlled. In this paper, an implicit series solution of nonlinear dynamic equations is presented.The algorithm is more precise and stable than the explicit series solution and isn‘t sensitive to the time-step. Finally, a numerical example is presented to demonstrate the effectiveness of the algorithm.     

结构动力学方程数值积分的三参数算法

本文提出计算结构动力响应的三参数单步数值积分法,它具有无条件稳定性质,并具有合适的算法阻尼.通过分析及与其他数值积分法比较,说明本文算法的精度有所提高.     

复杂非线性转子—轴承系统动力特性数值分析

研究非线性高维复杂转子－轴承系统的动力特性。针对系统的局部非线性特征,给出了一种降阶及配套动力积分方法。降阶系统仍保持局部非线性特征,非线性响应数值积分所需的迭代只需在局部非线性的维数上执行。对于油膜力无封闭解的实际轴承,采用变分不等方程有限元法求解Reynolds边值问题,使得油膜力及其Jacobian矩阵的计算变得非常简单明了且与具有协调一致的精度。应用上述方法计算分析了一双跨、椭圆轴承－转子系统的不平衡响应,数值结果展现了系统丰富复杂的非线性现象。     

非线性动力学常微分方程组高精度数值积分方法

建立了一种求解非线性动力学常微分方程组初值问题的新方法．若非线性函数一阶导数存在，则给出解的积分方程表达式，计算得到按规定误差要求的高精度数值解．引入一般自治或非自治非线性系统的首次近似Jacobi矩阵，不作任何假设重构等价的非线性常微分方程组，简捷而有广泛的适应性，不改变方程的本质，但其主项构成线性化方程组，其它项则代表非线性函数高阶余项而不涉及Taylor级数展开计算，给出该方程组初值问题的Duhamel卷积分解析表达式，在时间步长内进行数值积分选代求解，在指定误差内快速收敛，逐步递推获得非线性常微分方程的瞬态响应和全时域高精度数值解．积分解连续满足微分方程组而不是在离散的步长端点上满足代数方程组，打破了传统用增量法在离散点上建立的代数方程组迭代求解，从而使传统Euler型逐步积分法的各种差分格式算法改变成真正的积分格式算法．数值计算中给出指数矩阵递增展开式，变矩阵乘法为乘积系数的加法，避免了大量矩阵自乘而大大提高计算效率．算法验证为无条件稳定，则保证对线性常微分方程而言，计算中舍入误差的传播不会扩散，不出现计算机字长有限而引起舍入误差导致计算不确定性问题．基于以上理论和数值方法，计算了线性非线性算例并进行了分析，验证了本方法简捷而有广泛的适应性，可以有足够的精确性．     

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     

求解气动方程的混合反扩散方法

本文综述了反扩散格式的发展,指出利用混合反扩散方法,理论上既可导出Beam—Warming以及Jameson等发展的含参数的格式,又可导出不含参数的TVD格式.研究了含参数的混合反扩散格式和不含参数的反扩散格式,并介绍了格式的应用情况.      

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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.