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。     

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．     

分层介质中Love波的扩展W-W算法

应用精细积分法(PIM)和扩展Wittrick-Williams(W-W)算法求解横观各向同性分层半空间中的Love波问题.Love波对应于波数-频率域线性常微分方程的本征值问题.精细积分法是求解线性常微分方程两端边值问题和初值问题的高精度算法.利用本征值计数技术,扩展W-W算法可以不遗漏地找到所有本征值.因此,文中使用的方法可以得到计算机精度意义下的精确解.     

病态代数方程的精细积分解法

基于精细积分思想,提出了一种有效的病态代数方程组求解方法。类似于稳态热传导方程可视为瞬态热传导方程的极限形式,将具有正定对称实系数矩阵的病态代数方程组归结为一个常微分方程组初值问题的极限形式,并在此基础上建立了病态代数方程组的精细积分解法。该方法不仅精度高,而且能以指数速度收敛,具有较高的效率。本文还讨论了病态代数方程...     

非线性振动系统的多项式向量方法

对于常微分方程描述的非线性振动系统,当采用摄动方法求近似解时,先是给出满足各阶近似解的二阶常微分方程组,继而依次对每一个常微分方程进行求解,以致多自由度非线性振动系统的求解过程相当繁琐.文章针对常微分方程表示的非线性振动系统,提出了一种求解非线性振动系统近似解的多项式向量方法,该方法将二阶常微分方程组表示成一阶状态方程组,将非线性部分写成常数矩阵和多项式向量之积的形式.然后,采用直接摄动方法,获得每个幂次近似解所满足的一组状态方程,此时状态方程的非线性部分成为常数矩阵和前一幂次近似解作为元素组成的多项式向量的乘积.进一步,借助Toeplitz矩阵将多项式向量之乘法表示成矩阵形式,以解决多项式相乘带来的幂次方系数的确定问题,再根据一阶非齐次方程组的求解方法,获得状态方程组的全部近似解析解.多项式向量方法将二阶常微分描述的非线性振动求解过程转换为一阶非齐次状态方程组的求解问题,计算过程主要是矩阵和向量之间乘法运算,提高了计算效率和程序化水平.     

非均匀吸收介质中地震波的广义传播矩阵解法

本文在复频域内,通过应用混合变量粘弹性波方程和线性常微分方程组的指数矩阵解法,给出了一种计算非均匀吸收介质中地震波传播的广义传播矩阵解法。该方法适用于各种粘弹性模型,可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波,数值结果表明具有很高的计算精度。     

非均匀吸收介质中地震波的广义传播矩阵解法

本文在复频域内，通过应用混合变量粘弹性波方程和线性常微分方程组的指数矩阵解法，给出了一种计算非均匀吸收同中地震波传播的广义传播矩阵解法。该方法适用于各种粘弹性模型，可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波，数值结果表明具有很高的计算精度。     

利用线性模型估计的传感器优化布置算法

提出了一种基于线性模型估计的传感器布置算法.首先根据线性模型估计理论,将待监测的目标模态振型视为线性模型的设计矩阵;然后利用奇异值分解的算法,将设计矩阵分解,根据分解的前几个左奇异向量来计算各个自由度对于目标模态振型的贡献;用迭代算法来求出最优的传感器布置方案;最后,用两个算例表明该方法的有效性.     

亏损振系广义状态向量灵敏度的移频算法

由于亏损系统的状态向量系线性相关,故无法实现与非亏损系统类似的解耦及控制,这为亏损系统灵敏度分析带来很大困难。针对这个问题本文摒弃一般状态向量系,首先引入广义状态向量及其伴随向量理论,利用它们具有的良好规范正交关系,实现了灵敏度控制方程解耦,其次使用移频技术,实现了亏损系统状态矩阵的广义状态向量的灵敏度分析。该方法可用于求解亏损系统各频段广义特征向量的灵敏度,算法结构紧凑,易于理解和实施。数值算例结果表明,该算法是可行和有效的。     

无限域分层介质的基本解

本文从三维弹性力学最基本的平衡方程和本构关系出发，推导出状态传递微分方程，在求解状态传递微分方程时，建议了一种对指数矩阵进行分解的方法，避免了直接解法可能导致状态变量的发散的问题，引入了无穷远处的状态为量为有限值的条件，推导出上，下无限层表面的位移与应力关系式，再根据状态传递方程，可得出层状介质任意点的应力和位移的值，此结果可直接退化到无限域经典的Kelvin解。     

大规模动力系统改进的快速精细积分方法

提出一种针对大规模动力系统的改进的快速精细积分方法（FPIM）。以精细积分方法为基础,利用大规模动力系统矩阵的稀疏性和动力问题的物理特性,分析了矩阵指数的特殊结构,并基于此给出一种计算大规模动力系统矩阵指数及其动力响应的高效率方法。     

一类指数矩阵函数及其应用

研究了一阶常微分方程组特解的精细积分方法. 针对非齐次项为多项式、指数函数以及二者的乘积的情况,在Duhamel积分形式特解的基础上,引入了一类指数矩阵函数. 通过该类函数的线性组合即可表达出非齐次方程的特解. 建立了该类指数矩阵函数的一种高效递推算法,并在此基础上实现了特解的精细积分. 由于特解的积分过程能充分利用通解精细积分过程的中间量,因此两个精细积分过程能有机地结合起来,形成了一种高效、统一的广义精细积分法. 对上述递推算法做了进一步优化,并给出了通用的计算公式.算例结果证明了该方法的有效性.      

Adaptive selection of parameters for precise computation of matrix exponential based on padé approximation

讨论了基于Pad\'{e}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N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.     

EXPONENTIAL STABILITY OF INTERVAL DYNAMICAL SYSTEM WITH MULTIDELAY

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｖａｌｍａｔｒｉｘａｎｄｕｎｃｅｒｔａｉｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｉｍｅｄｅｌａｙｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｂｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｉｎｔｈｅｐａｐｅｒｓ [1 -1 3 ] .Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄαｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｉｎｔｅｒｖａｌｄｙｎａｍｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｔｉｍｅｄｅｌａｙ ｘ(ｔ) =Ｎ[Ｐ ,Ｑ]ｘ(ｔ) +Ｎ[Ｃ ,Ｄ]ｘ(ｔ-τ)ｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｓｉ…     

Improved precise integration method for differential Riccati equation

An improved precise integration method(IPIM) for solving the differential Riccati equation(DRE) is presented.The solution to the DRE is connected with the exponential of a Hamiltonian matrix,and the precise integration method(PIM) for solving the DRE is connected with the scaling and squaring method for computing the exponential of a matrix.The error analysis of the scaling and squaring method for the exponential of a matrix is applied to the PIM of the DRE.Based on the error analysis,the criterion for choosing two parameters of the PIM is given.Three kinds of IPIMs for solving the DRE are proposed.The numerical examples show that the IPIM is stable and gives the machine accuracy solutions.     

周期结构动力响应的高效数值方法

提出一种计算周期结构动力响应的高效率算法. 以精细积分方法为基础, 利用周期结构的对称性和动力问题的物理特性, 分析了周期结构对应矩阵指数的特殊结构, 并基于此给出一种计算周期结构对应矩阵指数的高效率方法. 在高效和精确计算周期结构对应矩阵指数的基础上, 得到了周期结构动力响应的高效率和高精度算法. 数值算例表明, 该方法效率高且节省存储要求.      

Fast precise integration method for hyperbolic heat conduction problems

A fast precise integration method is developed for the time integral of the hyperbolic heat conduction problem. The wave nature of heat transfer is used to analyze the structure of the matrix exponential, leading to the fact that the matrix exponential is sparse. The presented method employs the sparsity of the matrix exponential to improve the original precise integration method. The merits are that the proposed method is suit- able for large hyperbolic heat equations and inherits the accuracy of the original version and the good computational efficiency, which are verified by two numerical examples.     

Analytical formulation of the Jacobian matrix for non-linear calculation of the forced response of turbine blade assemblies with wedge friction dampers

A fundamental issue in turbomachinery design is the dynamical stress assessment of turbine blades. In order to reduce stress peaks in the turbine blades at engine orders corresponding to blade natural frequencies, friction dampers are employed. Blade response calculation requires the solution of a set of non-linear equations originated by the introduction of friction damping.

Such a set of non-linear equations is solved using the iterative numerical Newton–Raphson method. However, calculation of the Jacobian matrix of the system using classical numerical finite difference schemes makes frequency domain solver prohibitively expensive for structures with many contact points. Large computation time results from the evaluation of partial derivatives of the non-linear equations with respect to the displacements.

In this work a methodology to compute efficiently the Jacobian matrix of a dynamic system having wedge dampers is presented. It is exact and completely analytical.

The proposed methods have been successfully applied to a real intermediate pressure turbine (IPT) blade under cyclic symmetry boundary conditions with underplatform wedge dampers. Its implementation showed to be very effective, and allowed to achieve relevant time savings without loss of precision.