计算力学系统传递函数的一种方法——Lagrange插值算法

1.前言 研究动力学问题,经常需要计算力学系统的传递函数,例如当进行结构参数的识别或优化时就需要作这种计算。但是当自由度大于二时用理论计算就很困难,而数值计算又牵涉到大量的复行列式的计算。为此,我们研制了一种求传递函数的Lagrange插值法,将逐点计算复行列式转化为逐点计算实多项式,从而求出传递函数的表达式。从数值计算的角度而言,     

圆管截面齐次广义屈服函数与结构极限承载力

为克服圆管截面广义屈服准则不满足比例加载条件,导致采用弹性模量调整法求解该类结构极限承载力时存在计算结果受荷载初值影响、计算精度受损等问题,利用回归分析和最小二乘法研究建立了圆管截面广义屈服函数的齐次多项式,通过误差分析确定了齐次化多项式的阶次;据此定义了圆管截面薄壁构件的单元承载比、承载比均匀度和基准承载比,为高承载比薄壁单元的判别及其弹性模量调整提供了动态判据,进而依据能量守恒准则建立了以单元承载比为基本参数的模量调整公式,结合下限原理提出了圆管截面薄壁结构极限承载力分析的弹性模量缩减法。研究表明,选取齐次化多项式的广义屈服函数能更加准确地考虑各项内力对结构极限承载力的综合影响,具有良好的计算精度和效率,可应用于复杂圆管截面薄壁结构的极限承载力分析中。     

应用分析法解算根迹图解法中K值的理论与应用问题

众所周知的根迹图解法中,解算K值的等式和本文应用分析法解算K值的n阶特征多项式是等效的方程.应用n阶特征多项式系数比值A,与多项式根值的近似关系,可以推导出解算多项式中,未知参数K的简便等式从而定出K的近似值。应用分析法解算K值的实例,证明计算K值的过程是颇为简捷的,因而具有实用意义。     

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.     

一类双自由度碰振系统运动分析

基于Poincare映射方法对一类两自由度碰撞系统进行了分析。经过详细的理论演算得到单碰周期n的次谐运动的存在性判据和稳定性条件,给出计算Jacobi矩阵特征值的公式。数值模拟表明,该方法具有令人满意的结果。此外,还讨论了当不满足所提出的单碰周期n次谐运动的存在性条件时,可能会出现的运动形式。     

基于LMI的框架结构分数阶控制方法研究

以框架结构为研究对象,采用分数阶状态方程进行控制器设计,提出了基于LMI的分数阶控制器设计方法。首先,把原系统振动方程改为阶次为1～2的分数阶状态方程,同时,构造同阶次分数阶控制器状态方程,进而组装为一个整体状态方程;其次,根据分数阶系统稳定性条件确定满足系统渐进稳定性的不等式。为了获得可行解,在不等式中附加了两个参数,同时,令控制器参数矩阵为对称;再次,从仿真结果来看,控制效果过好,但控制力偏大,为此,控制力计算时附加了调节因子,以期在满足控制效果的基础上,降低所需控制力;最后给出了一个算例说明本文方法的可行性。     

求解病态线性方程的一种精细格式及迭代终止准则

研究了求解病态线性方程组的一种简化精细迭代格式和相应的迭代终止准则。首先将线性病态方程组系数矩阵的逆,归结为一矩阵指数的无穷积分形式;然后选择一个固定步长t,建立前述矩阵指数积分在区间[0,2τ]与[0,τ]上的递推关系,并通过区间倍增的方式逼近无穷积分。算法以2~n指数收敛,经过数十次迭代即可获得高精度解,因此具有极高的效率。在迭代过程中解的精度随着积分区间的增加而迅速提高,但当积分区间达到一定程度后,矩阵自乘过程中的误差积累以及矩阵的病态性,反而会导致精度随着区间的增加迅速下降。故一个可行的迭代终止准则,才使得算法具有实际意义。本文以迭代残差为指标,如果该指标连续n次出现增加,则计算停止。n与问题的病态程度及矩阵规模有关,一般情况下n取2即可,最大不超过10。在算例中,n取为5进行计算,都能使得迭代在解较为精确的次数时停止,证明了准则是有效的。     

转子支承系统频率方程伴随矩阵的平衡变换

传递矩阵－多项式方法在转子支承系统动力特性分析中得到了成功的应用，但对于超柔性超高速转子的数值计算困难依然存在。为获得转子支承系统的特征频率多项式，需引入比例换算、高次项缩减的计算技巧；求解频率方程时采用求特征多项式伴随矩阵全部特征值的方法。应用矩阵相似变换理论，对矩阵进行了一系列相似变换的平衡过程，大大减轻了伴随矩阵Ｅｕｃｌｉｄ范数大、各元素量级相差巨大的数值病态特征。一个典型的数值算例表明了平衡变换的重要性，最后给出了二个转子算例以验证算法及程序的正确性     

薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法

薄板问题的控制方程为四阶微分方程,因而当采用伽辽金法进行分析时,形函数需要满足C~1连续性要求,且至少使用二次基函数才能保证方法的收敛性.无网格形函数虽然易于满足C~1连续性要求,但由于不是多项式,其二阶导数的计算较为复杂耗时,同时也对刚度矩阵的数值积分提出了更高的要求.本文提出了一种薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法,该方法的基础是线性基无网格形函数的光滑梯度.在梯度光滑构造的理论框架内,无网格形函数的二阶光滑梯度可以表示为形函数一阶梯度的线性组合,因而可以提高形函数二阶梯度的计算效率.分析表明,线性基无网格形函数的光滑梯度不仅满足其固有的线性梯度一致性条件,还满足本属于二次基函数对应的额外高阶一致性条件,因此能够恰当地运用到薄板结构的伽辽金分析.此外,插值误差分析也很好地验证了线性基无网格光滑梯度的收敛特性.算例结果进一步表明,线性基梯度光滑伽辽金无网格法的收敛率与传统二次基伽辽金无网格法相当,但精度更高,同时刚度矩阵所需的高斯积分点数明显减少.     

薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法

薄板问题的控制方程为四阶微分方程,因而当采用伽辽金法进行分析时,形函数需要满足C$^{1}$连续性要求,且至少使用二次基函数才能保证方法的收敛性.无网格形函数虽然易于满足C$^{1}$连续性要求,但由于不是多项式,其二阶导数的计算较为复杂耗时,同时也对刚度矩阵的数值积分提出了更高的要求.本文提出了一种薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法,该方法的基础是线性基无网格形函数的光滑梯度.在梯度光滑构造的理论框架内,无网格形函数的二阶光滑梯度可以表示为形函数一阶梯度的线性组合,因而可以提高形函数二阶梯度的计算效率.分析表明,线性基无网格形函数的光滑梯度不仅满足其固有的线性梯度一致性条件,还满足本属于二次基函数对应的额外高阶一致性条件,因此能够恰当地运用到薄板结构的伽辽金分析.此外,插值误差分析也很好地验证了线性基无网格光滑梯度的收敛特性.算例结果进一步表明,线性基梯度光滑伽辽金无网格法的收敛率与传统二次基伽辽金无网格法相当,但精度更高,同时刚度矩阵所需的高斯积分点数明显减少.      

静态受载裂纹尖端附近的温度场

利用理想弹塑性介质中在小范围屈服的条件下静态Ⅲ型裂纹塑性变形的解析解建立了一个热源模型.由这个热源模型得到了裂纹尖端附近温度场的积分表达式.详细研究了温度场和加载速率之间的关系.证明了在快速加载的条件下,裂纹尖端附近的温升有r~(-1)阶的奇异性.当加载速率一定时,求出了裂纹尖端温升的上限的一个简单表达式.给出了温度场的数值计算结果及实际测量结果,其符合程度是令人满意的.     

基于DDA的弹性力学全高阶多项式位移逼近方法及其实例验证

基于维尔斯特拉斯多项式函数的逼近定理,通过DDA高阶全多项式位移函数条件下的弹性力学推导,提出了一个逼近弹性力学连续位移函数真解的全多项式位移函数逼近方法。该方法采用完整的高阶多项式位移函数,以不同阶次条件下的多项式系数为未知数,以单纯形积分为解析积分方法,通过建立和求解平衡方程,逐步逼近弹性体真解。在对单纯形积分计算过程研究的基础上,给出了三维空间单纯形计算图解法,该图解法诠释了三维空间单纯形积分公式中各变量间的逻辑关系及计算过程的图形表达。基于上述方法,编写了相应计算程序,并以一个三维简支梁受均布荷载及一个四周固定的弹性薄板受集中力作用两算例为实例,验证了所提方法的可行性。实例计算结果表明,随着逼近函数阶次的提高,数值方法获得的多项式函数计算值均单调地逐步逼近解析解。在文中所用的6阶多项式函数逼近中,简支梁实例位移计算误差小于0.2%,弹性薄板实例位移误差小于0.91%,并且,两算例与解析解位移差值都在微m级。     

近似平衡多项式加速度动力显式算法

利用已知初始时刻的信息，建立一种可以取到任意阶高精度的多项式加速度单步隐式算法。在该隐式方法中，待采解方程纽系数矩阵中质量阵的系数远远大于阻尼阵和剐度阵的系数，略去非对角阻尼阵和非对角刚度阵对方程组的影响，得到一种近似平衡多项式加速度动力显式计算方法。此方法的精度主要由加速度多项式插值的项数、步长、质量阵的每件数、质量刚度比（质量阵和刚度阵的范数之比）决定。在此基础上给出了这种算法的通式，进行了精度分析，结果表明：如果时间步长h足够短，n次加速度近似平衡动力显式算法的精度可以达到O（hn＋1）。算例采用5次加速度近似平衡显式算法，计算结果的精确性证明了本算法的可行性。     

应用POD和Padé拟合的线性动力学系统辨识

提出了一种线性动力学系统辨识方法。应用Padé多项式对系统的动刚度曲线进行拟合,通过最小二乘法确定Padé多项式中的系数矩阵,利用遗传算法确定出Padé拟合式中的参数。通过比较系统动刚度矩阵的理论公式和Padé拟合式,辨识得到系统的质量阵、刚度阵和阻尼阵。当系统阶数较高时,可结合POD降阶技术对系统进行辨识,该方法适用于全阶模型和降阶模型。数值仿真算例表明,本文方法具有较高的精度和较好的鲁棒性。     

求解结构动力学方程的一种辛格式及其优化

论文将四阶隐式高斯勒让德辛龙格库塔法应用于线性结构动力学方程,并对其进行了算法优化.针对n个自由度的动力学初值问题,先通过消元得到n阶线性代数方程组,利用其系数矩阵稀疏对称正定的性质,采用预处理共轭梯度法求解,其中预条件子由系数矩阵的不完全Cholesky分解得到.通过与中心差分法、Newmark-β法及Runge-Kutta法相比,论文方法在计算量未显著增加的前提下给出了更高的计算精度.     

转换矩阵在非线性材料杆系分析中的应用

证明了在杆系中,力的转换矩阵与位移的转换矩阵互为转置矩阵,当静不定非线性杆系静力平衡方程确定,而变形协调条件难以确定时,利用转置矩阵可以方便求得静不定非线性杆系的内力及有关节点位移.非线性材料杆系应力-应变关系 σ=Bε1/n中的幂n=2时,非线性材料静不定桁架有可能存在两个解;而采用常规方法求解静不定非线性杆系内力时...     

采用黏弹性人工边界时显式算法稳定性条件

黏弹性人工边界是处理无限域波动问题常用的数值模拟方法。采用显式时域逐步积分算法进行计算时,受黏弹性人工边界的阻尼、刚度等影响,人工边界区的稳定性比内部计算域的更严格,尚无明确、实用的稳定性判别准则,这限制了黏弹性人工边界在显式动力分析中的应用。针对二维黏弹性人工边界,利用基于局部子系统的稳定性分析方法和基于传递矩阵谱半径的稳定性判别准则,给出了可代表整体模型局部特征的不同边界子系统的稳定性条件解析解。通过对比分析不同计算区域的稳定性条件及其影响因素,证明了整体模型的稳定性由角点子系统控制。在此基础上,获得了含黏弹性人工边界的整体模型在显示动力计算中的统一稳定性判别准则和简化实用计算方法。在实际应用中,令积分时间步长满足稳定性条件,即可顺利完成整体模型的动力计算。以上研究可为将黏弹性人工边界应用于显式动力计算时积分时间步长的合理选取提供参考。     

用振型分析法求响应时初始条件的变换

一个n自由度的系统受外力激励产生振动时,其响应往往以低频振动为主,高阶振动的分量只占次要地位.对实际工程结构来说,由于阻尼的作用,高频振动不但振幅小,而且衰减也快,因此可以略去不计.针对这种情况采用振型分析法来求响应是很有利的,此时只需先求出在响应中占主要地位的前s 阶固有频率和振型,再算出前s 阶振动在响应中各自所占的分量即可.因为s<相似文献   

配点型广义节点无网格法的基本原理及其应用

借鉴流形方法思想,引入广义节点的概念,对传统的无网格法进行了改进,建立了可具有任意高阶多项式插值函数的广义节点无网格方法。同时采用径向插值函数构造具有插值特性的逼近函数;采用配点法建立系统的离散方程。在阐述了这种方法基本原理的同时,针对线弹性力学问题给出了这种方法的数值计算列式。与传统无网格方法相比,这种方法更具有一般性;同时由于采用了配点法而不需要背景积分网格,所以可以认为这种方法是某种真正意义上的无网格法。当选取0阶广义节点位移插值函数时便可得到传统的无网格法;在不增加支持域内节点数目的条件下,通过选取高阶广义节点位移插值函数可以提高计算精度。最后通过算例分析,对0阶、1阶及2阶广义节点无网格法与现有的有关解答进行了对比,论证了其合理性。     

正交异性圆柱壳受局部外压的临界力

以往计算正交异性圆柱壳的临界力,多从微分方程组出发,编写较长的计算程序,化费很多机时才能得到结果。本文应用Cheng提出的准确四阶控制方程,把问题归化为解无限行列式的特征值。对于全部受外压,周向波数较多的壳导出了一个临界力公式。1.部分长度承受均布外压壳的临界力(图1) 文献[2]建立了正交异性圆柱壳准确的控制方程(本文使用的符号与[2]相同)