Duhamel项的精细积分方法在非线性微分方程数值求解中的应用

基于Duhamel项的精细积分方法,构造了几种求解非线性微分方程的数值算法。首先将非线性微分方程在形式上划分为线性部分和非线性部分,对非线性部分进行多项式近似,利用Duhamel积分矩阵,导出了非线性方程求解的一般格式。然后结合传统的数值积分技术,例如Adams线性多步法等,构造了基于精细积分方法的相应算法。本文算法利用了精细积分方法对线性部分求解高度精确的优点,大大提高了传统算法的数值精度和稳定性,尤其是对于刚性问题。本文构造的算法不需要对线性系统矩阵求逆,可以方便的考察不同的线性系统矩阵对算法性能的影响。数值算例验证了本文算法的有效性,并表明非线性系统的线性化矩阵作为线性部分是比较合理的选择。     

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．     

弹性-蠕变体理论的广义变分原理

在应力和应变成线性关系时,应用弹性-蠕变体理论于具体工程问题一般归结为求解第二类伏尔泰勒积分方程或一组积分-微分方程,或化为求解一组变系数微分方程.当应力与应变为非线性关系时,常归结为求解非线性积分方程,或化为求解一组非线性变系数微分方程.这在数学上都将遇到很大困难,因而往往都用数值解法.这样,寻求有足够精度的近似解成为十分必要.另一方面,或许是更重要的,这就是用有限元法来求解蠕变问题.与弹性理论有限元问题相似,在有限元中引入广义变分原理将大大地促进有限元法的发展,本文将为这两方面提供条件.     

数学规划加权残值法在非线性微分方程中的应用

本文研究数学规划加权残值法在非线性微分方程求解中的应用,利用数学规划加权残值法和ＬＰ模理论,把非线性微分方程边值问题转化为一个可微分的无约束非线性优化问题,从而运用成熟稳定的寻优方法求得问题的解。文中数字计算例子表明本文方法可以快速有效地求解非线性微分方程。     

Burgers方程的小波精细积分算法

求解偏微分方程的常用方法包括有限差分法、有限元法等。近年来,小波分析在偏微分方程数值求解中的应用已引起很多学者的关注,例如采用Daubechies小波或shannon小波构造的小波配置方法已经取得较好的结果。钟万勰院士提出的偏微分方程的子域精细积分方法是一种半解析方法,方法简单,精度高。将小波方法和精细积分方法相结合应用于偏微分方程的数值求解中将有利于提高算法的精度和稳定性,为此本文以Burgers方程为例,提出了一种求解一维非线性抛物型偏微分方程的小波精积分方法。该方法用拟小波配点法对空间域进行离散,建立起对时间的常微分方程组,然后采用精细时程积分方法对该方程组求解。数值计算结果表明,该方法同其它方法相比,具有计算格式简单,数值稳定性和精度较高的优点。     

非线性MEMS微梁的重心有理插值迭代配点法分析

文章利用重心有理插值迭代配点法分析计算非线性MEMS微梁问题。通过处理MEMS微梁的几何通过假设初始函数,将微梁非线性控制方程转换为线性化微分方程,建立逼近非线性微分方程的线性化迭代格式。采用重心有理插值配点法求解线性化微分方程,提出了数值分析MEMS微梁非线性弯曲问题的重心插值迭代配点法。给出了非线性微分方程的直接线性化和Newton线性化计算公式,详细讨论了非线性积分项的计算方法和公式。利用重心有理插值微分矩阵,建立了矩阵-向量化的重心插值迭代配点法的计算公式。数值算例结果表明,重心插值迭代配点法求解微梁非线性弯曲问题,具有计算公式简单、程序实施方便和计算精度高的特点。     

硬脑膜受压膨出挠度的力学分析

硬脑膜是一种粘弹性材料,为控制硬脑膜在脑压作用下的膨出度,对粘弹性薄膜受压膨出挠度作力学分析。以位移为未知量,从粘弹性材料的分型本构关系出发将Foepple薄膜大挠度理论从弹性推广到粘弹性膜,得到一组非线性积分偏微分方程。先在空间上运用Galerkin方法将积分偏微分方程组化为积分常微分方程组。然后,在时间域上运用数值积分和有限差分将方程离散为非线性代数方程组。本文对四周固定夹紧的圆形、椭圆形和矩形薄膜进行了求解,并将求解结果用于颅底缺损重建膜的膨出量计算,计算值与实验值吻合,为颅底外科提供一个理论分析方法。     

非线性方程的求解—最优化样条函数康托诺维奇加权残值法

本文是得新提出的一种微分方程的新解法，最优化样条函数康托诺维奇加权残值法。来求解非线性微分方程。该法把优化理论引入微分方程的数值解法，揉最优化算法，加权残值法，样条函数法，康托诺维奇法于一体，具有精度高、收敛快、易于处理各种边界条件的优点，文中有基于原始微分方程的算例，对流体力学中Ｂｕｒｇｅｒｓ方程的成功求解，展示了该法的应用前景。     

强非线性动力系统的频率增量法

提出一类强非线性动力系统的暧时频率增量法,将描述动力系统的二阶常微分方程,化为以相位为自变量、瞬廛频率为未知函数的积分方程;用谐波平衡原理,将求解瞬时频率的积分问题,归结为求解以频率增量的Fourier系数为独立变量的线性代数方程组;给出了若干例子。     

一般强非线性振动微分方程式的线性化和逐步积分法

介绍了对一般强非线性振动微分方程进行线性化并采用相应的Wilson-法进行逐步积分计算的数值计算方法。大量应用实践表明该方法计算结果正确、可靠、计算速度快,是一种非常有效的计算分析的手段。可以应用于一般非线性动力学方程的求解。     

功能梯度板的非线性动力分析

非线性材料功能梯度板件的动力分析是属于在数学方程上同时具有变系数、非线性、非定常特征的固体力学问题.文中首先将问题的变系数非线性偏微分方程组转化为各向异性常系数非线性常微分方程,然后用小参数法求得解析解,适用于各种形状、边界及功能梯度分布的板件非线性弹性振动分析.     

Asymptotic Solutions of a First-Order Differential Equation with Deviating Argument and Slowly Varying Coefficients

The object of this paper is to study the problem of constructing an approximate solution of a first-order weakly nonlinear ordinary differential equation with deviating argument and slowly varying coefficients. On the basis of asymptotic techniques in nonlinear mechanics, we construct an algorithm for the asymptotic integration of the differential equation under consideration.__________Published in Neliniini Kolyvannya, Vol. 7, No. 4, pp. 475–486, October–December, 2004.     

Asymptotic Solution for a Kind of Boundary Layer Problem

This paper studies the partial differential equation with a small coefficient in the highest-order item. This kind of equation is also named as boundary layer problem. The Burgers equation and modified Burgers equation are analyzed in this approach. First, these equations are transferred into the strong nonlinear ones, and then the corresponding strong nonlinear equations are solved based on the perturbation method. The results from the asymptotic method are comparable with those obtained from numerical computation. An erratum to this article is available at .     

SINGULARLY PERTURBED NONLINEAR BOUNDARY VALUE PROBLEM FOR A KIND OF VOLTERRA TYPE FUNCTIONAL DIFFERENTIAL EQUATION

IntroductionThereweresomeresultsofstudyingonboundaryvalueproblemsforfunctionaldifferentialequation[1～6 ]byemployingthetoplolgicaldegreetheoryandsomefixedpointprinciplesinrecentyears.Buttheworktostudyboundaryvalueproblemsfordelaydifferentialequationwithsmallparameterbymeansofthetheoryofsingularperturbationrarelyappeared[7～11].Thereasonforitisthattheworktoconstructtheuppersolutionandlowersolutionforthecaseofdifferentialequationwithdelayisdifficult.Theauthorhasstudiedakindofboundaryvalueproblem…     

Quantized state feedback-based $$\varvec{\mathcal {H}_\infty }$$ H ∞ control for nonlinear parabolic PDE systems via finite-time interval

Nonlinear Dynamics - In this paper, the finite-time $${\mathcal {H}}_\infty $$ control problem of nonlinear parabolic partial differential equation (PDE) systems with parametric uncertainties is...     

Direct Derivation of Corrective Terms in SDE Through Nonlinear Transformation on Fokker–Planck Equation

This paper examines the problem of probabilistic characterization of nonlinear systems driven by normal and Poissonian white noise. By means of classical nonlinear transformation the stochastic differential equation driven by external input is transformed into a parametric-type stochastic differential equation. Such equations are commonly handled with Itô-type stochastic differential equations and Itô's rule is used to find the response statistics. Here a different approach is proposed, which mainly consists in transforming the Fokker–Planck equation for the original system driven by external input, in the transformed probability density function of the new state variable. It will be shown that the Wong–Zakay or Stratonovich corrective term and the hierarchy of correction terms in the case of Poissonian white noise arise in a natural way.     

Analysis of velocity equation of steady flow of a viscous incompressible fluid in channel with porous walls

Steady flow of a viscous incompressible fluid in a channel, driven by suction or injection of the fluid through the channel walls, is investigated. The velocity equation of this problem is reduced to nonlinear ordinary differential equation with two boundary conditions by appropriate transformation and convert the two‐point boundary‐value problem for the similarity function into an initial‐value problem in which the position of the upper channel. Then obtained differential equation is solved analytically using differential transformation method and compare with He's variational iteration method and numerical solution. These methods can be easily extended to other linear and nonlinear equations and so can be found widely applicable in engineering and sciences. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

随机结构非线性动力响应的概率密度演化分析

提出了随机结构非线性动力响应分析的概率密度演化方法．根据结构动力响应的随机状态方程，利用概率守恒原理，建立了随机结构非线性动力响应的概率密度演化方程．结合Newmark-Beta时程积分方法与Lax-Wendroff差分格式，提出了概率密度演化方程的数值分析方法．通过与Monte Carlo分析方法对比，表明所给出的概率密度演化方法具有良好的计算精度和较小的计算工作量．研究表明：随机结构非线性动力响应概率密度具有典型的演化特征，随着时间增长，概率密度曲线分布趋于复杂．     

Equations for nonlinear waves on shallow water

Steady-state free plane surface waves are investigated in the nonlinear formulation by means of the narrow streak method. The second-order differential equation derived can readily be integrated numerically. The first approximation of the equation is integrated. The next approximation leads to a nonlinear first-order differential equation which is traditional to the problem considered and whose coefficients have a simple physical meaning.