多自由度非线性系统的同伦分析方法

大部分工程实际问题可以用多自由度非线性系统来描述,这些系统的数学模型是许多个耦合的两阶常微分方程.一般地,要精确求解这些方程非常困难,因此可以考虑它们的解析近似解.同伦分析方法是解非线性系统响应的有用工具,本文将它应用于多自由度非线性系统的求解中.利用求两自由度耦合van del Pol振子周期解的实例,展示了同伦分析方法的有效性和巨大潜力.同时,把得到的解析近似解与系统的Runge-Kutta数值解作了比较,结果表明同伦分析方法是求解多自由度非线性系统的有效方法.     

关于自由质点相对地球的运动

研究自由质点相对于旋转地球的运动.导出了任意初始条件下自由质点相对于旋转地球运动方程的显式精确解.利用该精确解证明了自由落体偏东.所导出精确解略去地球自转速度高次项时与教材中用近似方法导出的一次近似解一致.     

超越摄动:同伦分析方法基本思想及其应用

介绍一种新的、求解强非线性问题解析近似的一般方法------同伦分析方法.该方法从根本上克服了摄动理论对小参数的过分依赖, 其有效性与所研究的非线性问题是否含有小参数无关, 因此,适用范围广.此外, 不同于所有其他解析近似方法,同伦分析方法提供了一个简单的途径, 确保所得到的级数解收敛, 从而获得足够精确的解析近似.而且, 不同于所有其他解析近似方法, 同伦分析方法(HAM)提供了选取基函数之自由, 从而可以选择较好的基函数, 更有效地逼近问题的解.同伦分析方法为非线性问题的解析近似求解提供了一个全新的思路, 为非线性问题(特别是不含小参数的强非线性问题)的求解开辟了一个全新的途径.简要描述同伦分析方法的基本思想, 其在非线性力学、物理、化学、生物、金融、工程和计算数学等领域的应用举例, 以及与摄动方法、Lyapunov 人工小参数法、$\delta$展开法、Adomian 分解法、同伦摄动方法之区别和联系.      

基于参数展开的同伦分析技术及其应用

提出了一种基于参数展开的新的同伦分析技术(PE-HAM)：结合参数展 开技术和同伦理论将一非线性动力系统(不要求系统内含有小参数)的求解问题转化为一组 线性微分方程的求解问题,并将之运用到强非线性振动领域. 用该方法研究了强非线性 Duffing系统的响应问题,得到了一阶近似解. 作为特例讨论了保守Duffing系统和受谐和 激励的耗散Duffing系统的稳态响应问题. 数值模拟的结果,说明了新方法的有效性.     

非线性转子-轴承系统的周期解及近似解析表达式

通过对普通打靶方法进行改造提出一种确定非线性系统周期轨道及周期的新型打靶算法。首先通过改变系统的时间尺度，将非线性系统周期轨道的周期显式地出现在非线性系统的系统方程中，然后对传统打靶法进行改造，将周期也作为一个参数一起参与打靶法的迭代过程，迭代过程包含对周期轨道和周期的求解，迭代过程中的增量通过优化方法选择，从而能迅速确定出系统的周期轨道及其周期。应用所求的结果结合谐波平衡方法求得了非线性系统的周期轨道的近似解析表达式，理论上通过增加谐波的阶数任何精度的周期解都可以得到。最后将该方法应用于非线性转子轴承系统，求出了在某些参数下转子的周期解及其近似解析表达式，通过与四阶Runge-Kutta数值积分结果比较，验证了方法的有效性，计算结果对于转子系统运动的定量控制有重要理论指导意义。     

用同伦方法反演非饱和土中溶质迁移参数

非饱和土中溶质迁移参数反演问题可以归结为非线性算子方程的求解问题. 将同伦方法 引入该问题的求解，通过构造线性同伦将原问题转化为求解同伦函数最小值的无约束优化问 题. 同时在分析了同伦参数正则化效应的基础上，提出一种两段同伦参数修正方法. 即在求 解的初始阶段，根据拟Sigmoid函数调整同伦参数，以追踪同伦路径，保证计算稳定地进行； 在迭代的后期，采用与残差相关的同伦参数修正方法，以抵抗观测噪声对求解的影响. 数值 算例为求解带有平衡及非平衡吸附效应的一维非饱和土中溶质迁移模型参数反演问题，计算 结果表明了该方法的大范围收敛性及较强的抵抗观测噪声的能力.     

广义概率密度演化方程的再生核质点加密算法

采用一般质点近似和再生核质点近似表示系统响应量,给出了动力系统响应量的一般表达式。在此基础上,发展了一类求解广义概率密度演化方程的再生核质点加密算法,给出了详细求解步骤。以单自由度系统为例,从响应概率密度的角度考察了再生核质点加密算法的精度。以多自由度框架结构为例,验证了再生核质点加密算法求取非线性随机动力系统响应概率密度的正确性。     

横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳以及非线性振动特性

梁的轴向运动会诱发其产生横向振动并可能导致屈曲失稳,对结构的安全性和可靠性产生重大的影响。本文重点研究了横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳及横向非线性振动特性。基于Hamilton变分原理,建立了横向载荷作用下轴向运动梁的动力学方程,获得了梁的后屈曲构型。使用截断Galerkin法,将控制方程改写成Duffing方程的形式。用同伦分析方法确定载荷作用下轴向运动梁的非线性受迫振动的封闭形式的表达式。结果表明,后屈曲构型对轴向速度和初始轴向应力有明显的依赖性。通过同伦分析法得出非线性基频的显式表达式,获得了初始轴向力会影响非线性频率随初始振幅和轴向速度的线性关系。另外,轴向外激励的方向也会改变系统固有频率。     

悬索主共振响应的多尺度解与同伦分析解

利用哈密顿变分原理,引入拟静态假设,建立了悬索面内非线性运动方程,并采用Galerkin方法对其进行离散。接着运用多尺度法和同伦分析法得到了悬索前两阶模态主共振响应的近似解。为验证这两种分析方法的适用性,同时采用龙格-库塔法对方程直接进行了数值积分。数值计算结果表明,随着悬索垂跨比以及振幅的增加,由多尺度法与同伦分析法得到的幅频响应曲线存在明显的定性与定量的差别,而同伦分析法结果与数值法的结果更加接近。最后比较了两种分析方法得到的位移场与索力时程响应曲线。     

Galerkin有限元近似的非线性计算稳定性问题

本文讨论了描写流体运动发展方程的Galerkin有限元近似的非线性计算稳定性问题。推广[1]中的结果,指出在Galerkin有限元近似中,能量守恒性、算子非负性和计算稳定性之间同样存在密切的关系。证明了带非负算子“强”隐式Galerkin有限元近似是绝对稳定的,而“弱”隐式或显式Galerkin有限元近似可能是不稳定的。文中还给出了一维、二维的显式Galerkin有限元近似的非线性计算不稳定的例子。     

基于精细积分技术的非线性动力学方程的同伦摄动法

将精细积分技术（PIM）和同伦摄动方法（HPM）相结合,给出了一种求解非线性动力学方程的新的渐近数值方法。采用精细积分法求解非线性问题时,需要将非线性项对时间参数按Taylor级数展开,在展开项少时,计算精度对时间步长敏感;随着展开项的增加,计算格式会变得越来越复杂。采用同伦摄动法,则具有相对筒单的计算格式,但计算精度较差,应用范围也限于低维非线性微分方程。将这两种方法相结合得到的新的渐近数值方法则同时具备了两者的优点,既使同伦摄动方法的应用范围推广到高维非线性动力学方程的求解,又使精细积分方法在求解非线性问题时具有较简单的计算格式。数值算例表明,该方法具有较高的数值精度和计算效率。     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.     

航天器相对运动动力学教学研究与实践

航天器相对运动动力学是空间维护原理课程的核心,主要内容是目标轨道坐标系中两个航天器的相对运动规律,太空中的相对运动规律与地面的相对运动规律在直觉上是相悖的,对学员的理解能力提出了较高挑战,课程组提出了演示法、交互法和实验法有机结合的体系化教学方法,通过将隐含的运动关系、相对运动方程经过变换转化为显式的运动方程,将静态的...     

基于非线性梁理论的有限质点法

有限质点法是以向量式力学为基础,用有限数量的质点来模拟结构的变形行为,质点的运动由牛顿运动定律来计算。在有限质点法中,质点通过构件相连,构件约束着质点的运动,并且其内力由质点的运动变量来描述。基于向量式力学的基本思想和非线性梁理论,提出了一种新的有限质点法,该方法在共旋单元坐标系中描述梁的非线性变形。以空间梁系结构为例,推导了计算构件内力的非线性公式,并考虑了弯扭耦合变形。通过两个连续欧拉角的变换公式得到共旋坐标系的旋转矩阵。与传统的有限质点法相比,本文提出的方法避免了刚体虚转动分析。通过四个结构的数值求解,验证了本文方法在计算结构大变形响应时具有较高的精度。     

非结构网格上p型多重网格法流场数值模拟

在二维、三维非结构网榕上,针对间断Galerkin方法计算量大、收敛慢的缺点将p型多重网格方法应用于该方法求解跨音速Euler方程,提高计算效率。p型多重网格方法是通过对不同阶次多项式近似解进行递归迭代求解,来达到加速收敛。文中对高阶近似(p＞0)使用显式格式,最低阶近似(p=0)采用隐式格式。NACA0012翼型和O...     

双相介质波动方程孔隙率反演的同伦方法

从材料响应的理论合成应与实际测量数据相拟合这一出发点，将双相介质波劝方程参数的反演问题转化为非线性算子方程的零点求解问题，从而应用一种大范围收敛的同伦方尘土注来解非线性算子方程，并把这种方法用于Simon(1984)给出的具有解析的一维双相介质模型的数值模拟，最后的数值结果表明，给出的算法是十分有效的。     

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.     

数值求解不可压粘性流体定常运动的格林函数方法

本文提出了一种数值求解不可压粘性流体定常运动的格林函数方法.在本文中利用Stokes方程的基本解作为格林函数将求解不可压粘性流体定常运动的边值问题化为求解速度场和边界应力的非线性积分方程组,在解出速度场和边界应力后可直接计算流场中各点的压力;用有限元近似将积分方程离散化而进行数值求解。对于小雷诺数流动,只归结为求解边界积分方程,使求解区域减少一个维度。对于非线性问题,可用迭代方法求解,在每次迭代中只须解出边界点上的速度或应力。通过几个简单的算例,表明本文所提出的方法具有精度高、处理边界条件简单、通用性强的优点,并具有求解各种复杂流动的潜力。     

被动隔振体非线性振动的能量迭代解法

研究了由基础振动激励、弹性材料隔离的被动隔振体的强非线性动力响应。用变形的三次多项式函数表征隔振材料的非线性刚度特性,建立了被动隔振体的非线性动力学方程,得到有阻尼受迫振动Duffing方程。将求解强非线性自治系统的能量迭代方法加以改进,推广应用到强非线性非自治系统,求出周期响应的近似解析解表达式,以及幅频关系、相频关系和隔振系数的近似表达式。算例中应用本方法与Runge-Kutta方法进行了对照,结果表明求解精度较高。本文利用计算机进行了辅助推导。     

奇异摄动方法在输电线非线性振动问题中的应用

同一系统内部快变量和慢变量的同时存在往往引发相异于一般系统的特殊效应,比如输电线的松弛振荡.本文推导了架空输电线具有初始垂度的非线性动力学模型,发现该模型是具有快慢变量耦合的数学模型,应用求解周期运动的奇异摄动方法,得到系统的近似解析解,考察了快慢变量对系统周期运动的影响规律.结果表明解析解较数值解略微偏小,但仍有很好的吻合度,说明本文结果的有效性和正确性.进一步计算表明,随着摄动方法应用过程中近似次数的增加,两解逐次接近.