基于黎曼几何的非线性振子动力学分析递推解析算法

基于黎曼几何和变分原理,推导了黎曼流形上非线性耗散动力系统的二阶微分动力学方程,并运用流形收缩的概念将动力学方程离散化,进而建立了相应的递推求解格式。选取3个自治非线性阻尼振子系统,分别采用递推解析算法和龙格库塔法求解微分动力学方程,并比较分析了不同的时间步长下两种算法的计算耗时。结果表明,与龙格库塔法相比,基于黎曼几何的递推算法不仅能得到每一时步的解析表达式,而且计算耗时短,计算效率高。基于黎曼流形的动力学方程递推算法为非线性动力学系统的解析求解提供了新思路。     

一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法研究

相比于传统的浮动坐标法,绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,但是对于ANCF的求解目前主要依据拉格朗日方程等分析力学原理建立微分代数方程(differential algebraic equation,DAE)进行,其算法复杂度为O(n2)或O(n3)(n为系统自由度),且求解过程存在位置或速度的违约问题.据此,研究了一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法(recursive absolute nodal coordinate formulation,RANCF).该方法采用ANCF描述大变形柔性体,借鉴铰接体递推算法(articulatedbody algorithm,ABA)思路建立多柔体系统逐单元的运动学和动力学递推关系,得到微分形式的系统动力学方程(ordinary differential equation,ODE).在ODE方程中,系统广义质量阵为三对角块矩阵,通过恰当的矩阵处理,可以得到逐单元求解该方程的递推算法.在此基础上,给出了RANCF算法的详细流程,并对流程中每个步骤进行了细致的算法效率分析,证明了RANCF是算法复杂度为O(n)的高效算法.RANCF方法保留了ANCF对大转动、大变形多柔体系统精确计算的优点,同时极大地提升了算法效率,特别在处理高自由度复杂多柔体系统中具有显著优势.并且该方法采用ODE求解,无DAE的违约问题,因此具有更高的算法精度.最后,在算例部分,通过MSC.ADAMS仿真软件、能量守恒测试、算法复杂度曲线对RANCF的正确性、计算精度和计算效率进行了验证.     

几何非线性分析的无网格伽辽金算法

利用几何非线性的应变-位移关系,在小应变假设的条件下,推导出二维几何非线性问题中的无网格伽辽金法的计算格式。由于无网格方法中的形函数不具备Kronecker delta性质,文中采用罚方法来实现本质边界条件。数值实例表明,无网格伽辽金法在处理几何非线性问题时,具有较高的计算精度,是一种有效的数值计算方法。     

弹性连杆机构的非线性动力学特性分析

本文应用动力学虚功原理建立了计入几何非线性时弹性连杆机构一般形式的动力学有限元模型，该模型是具有周期性的时变非线性微分方程，针对方程的这一特点，文中给出了一种高效的闭式迭代求解方法。最后通过实例研究了几何非线性对弹性连杆机构动特性的影响，并通过实验研究验证了本文建模及求解方法的正确性。本文的研究结果对弹性机构的动态设计有指导意义。     

几何缺陷浅拱的动力稳定性分析

研究了几何缺陷对粘弹性铰支浅拱动力稳定性能的影响。从达朗贝尔原理和欧拉-贝努利假定出发推导了粘弹性铰支浅拱在正弦分布突加荷载作用下的动力学控制方程,并采用Galerkin截断法得到了可用龙格-库塔法求解的无量纲化非线性微分方程组。同时引入能有效追踪结构动力后屈曲路径的广义位移控制法,对含几何缺陷浅拱的响应曲线进行几何、材料双重非线性有限元分析。用这两种方法分析了前三阶谐波缺陷对浅拱动力稳定性能的影响,其中动力临界荷载由B-R准则判定。主要结论有:材料粘弹性使浅拱动力临界荷载增大且结构响应曲线与弹性情况差别很大;二阶谐波缺陷影响显著,它使动力临界荷载明显下降且使得浅拱粘弹性动力临界荷载可能低于弹性动力临界荷载。     

薄板几何非线性弯曲分析的深度能量法

发展了一种增量形式的深度能量法求解薄板几何非线性弯曲问题。根据最小势能原理和Von-Karman非线性理论,构建以薄板势能为驱动的增量式深度神经网络模型。首先用网格离散薄板求解域,通过Python读取网格数据计算Hammer积分点,并以此作为训练集代入网络模型预测板的弯曲位移,再将荷载分成一系列的荷载增量,每个增量步中计算薄板势能作为神经网络的损失函数,以最小化势能为目标,结合Adam优化算法更新网络模型参数,待势能取驻值后再继续下一个荷载步的计算。本文求解了不同形状、不同边界条件下薄板的几何非线性弯曲问题,并将计算结果与文献解或有限元Abaqus解进行对比,研究表明,本文方法在求解薄板的几何非线性弯曲问题上具备有效性和准确性,且增量式的神经网络模型能够减小计算内存,有效提高计算效率和模型的稳定性。     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合,计算机翼静气动弹性变形;通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度,建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼,分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响,属于经典弯扭颤振;在几何非线性的影响下,机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小,颤振速度随迎角增大而减小．     

大转动梁的几何非线性分析讨论

本文借助Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｔ．Ｌ．）法、修正的Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｕ，Ｌ，）法及带有动坐标的迭代法求解梁的几何非线性问题，说明了各自的特点，澄清了若干基本概念。指出动坐标方法实质上就是Ｕ．Ｌ．法，它适合于分析具有大转动梁的问题，并可方便地推广到大转动的板壳问题。同时指出对于几何非线性问题，可以不必区分Ｃａｕｃｈｙ应力和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力。     

轮对非线性动力学系统蛇行运动的解析解

在对铁路车辆系统的极限环幅值和非线性临界速度进行分析时通常采用数值方法, 不便于研究其随系统参数的变化规律. 轮对系统保留了影响车辆系统动力学性能的几个关键要素: 如轮轨几何非线性约束、轮轨接触蠕滑关系和悬挂系统等, 可以反映铁路车辆系统蛇行运动的本质特性. 轮对系统自由度少、参数少, 可以采用解析方法进行分析. 本文选取合适的特征量把轮对非线性动力学方程无量纲化, 得到了带有小参数的两自由度微分方程; 采用多尺度方法对该方程进行了解析求解; 给出了轮对系统极限环幅值的解析表达式并对其稳定性进行了判定; 给出了轮对系统的分岔速度解析表达式, 并进而获得系统的非线性临界速度的解析表达式. 在对得到的解析解用数值结果进行验证后, 用得到的解析解进行了系统参数影响分析. 传统的分岔图计算方法(如降速法、路径跟踪法等)需对微分方程进行大量数值积分计算方可求解系统的非线性临界速度值, 而通过本文获得的解析表达式可直接给出系统的非线性临界速度值和极限环幅值, 便于研究轮对系统动力学特性随参数的变化规律,进行快速方案比对和筛选, 为转向架结构优化设计提供参考.      

基于能量优化的桁架几何非线性问题力密度法

力密度法最初是求解膜结构找形问题的方法,经发展可用于计算桁架结构的几何非线性问题。本文应用力密度法建立结构变形后的非线性平衡方程及相应的雅可比矩阵,用于迭代求解;从能量原理出发,推导出杆单元应变能、外荷载势能、结构总势能在每次迭代位移方向上关于步长λ的显式列式。相对于固定步长的牛顿法,本文将最优迭代步长λ引入求解,使结构在每次迭代位移方向上均达到总势能最小。经桁架算例验证,表明该方法可加快计算收敛进程。     

Accurate analytical approximate solutions to general strong nonlinear oscillators

A new approach is presented for establishing the analytical approximate solutions to general strong nonlinear conservative single-degree-of-freedom systems. Introducing two odd nonlinear oscillators from the original general nonlinear oscillator and utilizing the analytical approximate solutions to odd nonlinear oscillators proposed by the authors, we construct the analytical approximate solutions to the original general nonlinear oscillator. These analytical approximate solutions are valid for small as well as large oscillation amplitudes. Two examples are presented to illustrate the great accuracy and simplicity of the new approach.     

Scaling behavior of coupled conservative weakly nonlinear oscillators

The scaling of the solution of coupled conservative weakly nonlinear oscillators is demonstrated and analyzed through evaluating the normal modes and their bifurcation with an equivalent linearization technique and calculating the general solutions with a method of multiple seales. The scaling law for coupled Duffing oscillators is that the coupling intensity should be proportional to the total energy of the system.Present address: Department of Chemistry and Chemistry and Chemical Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, New Jersey 07030, U.S.A.     

基于递推最小二乘的在线罗差校正方法

现有罗差校正方法不同程度地存在着需要精确控制采样点、校正结果受噪声影响大、不能实现现场环境下的在线校正等问题。针对这一问题,设计了一种基于递推最小二乘的在线罗差校正方法。介绍了罗差校正的基本原理,推导了基于递推最小二乘罗差校正的实现过程,设计了转台试验及车载试验进行验证分析。两次转台试验中,罗差校正前后系统航向角误差标准差分别由30.9418°与3.2407°降低至3.8861°与1.2964°;车载试验中,车辆仅需原地转圈即可实现罗差校正,15 min跑车结果显示,校正后航向角误差标准差由17.2037°降低至2.8818°。试验结果表明,该罗差校正方法简单易用,可应用于现场在线校正,相比传统方法高效、稳定。     

Substructure computational algorithm for exact analytic method

In[1],the exact analytic method for the solution of differential equation with variablecoefficients was suggested and an analytic expression of solution was given by initialparameter algorithm.But to some problems such as the bending,free vibration andbuckling of nonhomogeneous long cylinders,it is difficult to obtain their solutions by theinitial parameter algorithm on computer.In this paper,the substructure computationalalgorithm for the exact analytic method is presented through the bending of non-homogeneous long cylindrical shell.This substructure algorithm can be applied to solve theproblems which can not be calculated by the initial parameter algorithm on computer.Finally,the problems can be reduced to solving a low order system of algebraic equationslike the initial parameter algorithm.Numerical examples are given and compared with theinitial para-algorithm at the end of the paper,which confirms the correcthess of thesubstructure computational algorithm.     

A recursive approach of inverse dynamics for flexible manipulators

To realize the trajectory control of a flexible manipulator, a so-called virtual rigid manipulator is introduced to describe the specified trajectory. The recursive kinematics relations and dynamics equation in the form of variation are established. A recursive approach of inverse dynamics is developed, which is simple and has higher computation efficiency. A two-links planar flexible manipulator is studied to verify the effectiveness of the approach proposed.This work was supported by the National Natural Science Foundation of China and a Doctoral Program.     

基于算法复杂度理论的拟力法计算效率评价

算法复杂度理论是一种算法效率定量评价方法,该方法通过度量算法的复杂度来客观反映其执行效率,避免了计算机系统性能等因素对效率评价的影响。拟力法是一种高效的结构非线性分析方法,以往研究工作只是在非线性分析过程和运行时间上对计算效率进行了探索,并没有从理论上量化分析。本文采用算法复杂度理论对拟力法和传统变刚度非线性求解方法进行分析,给出了两种方法的时间复杂度函数,并对比了其计算效率进行定量,从数学角度解释了拟力法计算效率高的根本原因。算例对两种方法的时间复杂度和计算时间进行对比分析,直观地说明了拟力法在计算效率方面的优越性。     

基于多体动力学递推算法的电动汽车建模与仿真分析

运用多体动力学理论建立整车动力学模型已成为汽车动力学研究的重要手段。以大连理工大学汽车学院研制的某电动汽车为对象,运用多体动力学递推算法建立了包含前后悬架、车身及车轮在内的多体仿真分析模型,将前后悬架视为3个子系统,引入哑体,实现对各子系统的单独处理;同时完成了整车的快速建模与分析;将MATLAB整车仿真程序的结果与ADAMS仿真结果进行比对,二者吻合较好,验证了所建模型及求解算法的正确性。     

基于ANN-GA协同寻优的动态拉伸试样尺寸优化方法

材料动态拉伸力学性能测试中,动态拉伸试样的几何尺寸对测试结果的准确性与有效性有着较大影响。为对动态拉伸试样的结构进行优化设计,以使其在动态拉伸过程中更好地满足一维应力与变形均匀等基本假设。首先,建立了量化的试样测量准确度指标,即应力平衡达到时间、变形均匀度、非轴向应力相对水平、过渡段相对变形。然后,对试样结构参数进行正交试验设计,通过数值模拟的方法得到了关于试样尺寸与测量准确度指标的正交试验数据库,并对正交试验数据库进行多目标正交试验矩阵分析,得到了试样结构参数对各测量准确度指标影响的主次顺序和规律。最后,以正交试验数据库为训练集,采用人工神经网络（artificial neural network, ANN）协同遗传算法（genetic algorithm, GA）的全局寻优方法对试样的结构尺寸进行优化设计,得到了试样的最优结构尺寸,并对最优尺寸的有效性进行了验证。结果表明,优化后的试样结构在材料动态拉伸力学性能测试精度上的表现明显得以提升。因此,采用ANN-GA协同优化的方法对动态拉伸试样的结构进行优化具有可行性和有效性。     

一种非线性系统周期解的延拓算法

提出了一种非线性系统周期解的延拓算法。指出了非线性系统周期解在分岔点处由于雅可比矩阵奇异而导致一般延拓方法延拓失败问题;然后基于推广的打靶法的思想,将普通延拓算法推广,提出了一种用于周期解延拓的算法。对于非线性动力系统,该算法可以在已知某一参数下的周期解的基础上,求解出在一定参数范围内非线性动力系统的解随参数的连续变化情况。应用该方法对非线性柔性转子-轴承系统的周期解与参数的依赖关系进行了求解,验证了方法的有效性。     

A positive interior-point algorithm for nonlinear complementarity problems

1　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＡｌｇｏｒｉｔｈｍＧｉｖｅｎａｆｕｎｃｔｉｏｎｆ:Ｒｎ→Ｒｎ,ｗｈｉｃｈｉｓａｓｓｕｍｅｄｔｏｂｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｂｌｅｉｎａｎｏｐｅｎｓｅｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＲｎ+,ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍ ,ｄｅｎｏｔｅｄＮＣＰ (ｆ) ,ｉｓｔｏｆｉｎｄａｖｅｃｔｏｒｘ∈Ｒｎｓｕｃｈｔｈａｔｘ≥ 0 ,　ｆ(ｘ) ≥ 0 ,　ｘＴｆ(ｘ) =0 ,Ｃｌｅａｒｌｙ ,ｔｈｅＮＣＰ (ｆ)ｉｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏｔｈｅｆｏｌｌｏｗ…