基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之三：数值算例

文献[1,2]给出了四种不同类型的求解哈密顿动力系统的数值方法,并证明了它们的保辛特性。本文将讨论这四类算法的具体数值性能,包括算法的线性稳定性,精度和效率等。     

基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之一：变分原理和算法构造

提出了哈密顿动力系统的一个新变分原理,并基于此变分原理构造了四类保辛算法。通过新的变分原理定义修正作用量,然后将位移和动量采用拉格朗日多项式近似,并采用高斯积分对时间近似积分得到近似的修正作用量。在修正作用量的基础上,通过选择时间步两端不同的位移或动量作为独立变量,可构造四种不同类型的保辛算法。     

基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之二：算法保辛性质证明

文献[1]给出了哈密顿系统的一个新的变分原理,并基于此变分原理,通过选择一个时间步长两端不同广义位移或广义动量为独立变量,给出了四种不同类型的求解哈密顿动力系统的数值方法。本文将分别证明这四类数值方法都是保辛的数值方法。     

基于对偶变量变分原理和两端位移独立变量的保辛方法

将广义位移和动量同时用拉格朗日多项式近似,并选择积分区间两端位移为独立变量,然后基于对偶变量变分原理导出了哈密顿系统的离散正则变换和对应的数值积分保辛算法。当位移和动量的拉格朗日多项式近似阶数满足一定条件时,可以自然导出保辛算法的不动点格式。通过数值算例分析了位移和动量采用不同阶次插值所需最少Gauss积分点个数,并讨论了位移插值阶数、动量插值阶数以及Gauss积分点个数对保辛算法精度的影响,说明了上述不动点格式恰好是一种最优格式。     

第二种型式哈密顿原理的注记

讨论了苏联学者第二种型式的哈氏原理。给出了这种原理的四种新的型式。对于单一广义坐标的情形,用图形作了说明。最后给出了一应用简例。     

骑行波的非线性演化方程

从能量的角度出发,采用Hamilton描述并结合变分原理和摄动分析,并借助于符号运算导出了骑行在大波上的小波的Hamilton密度函数和非线性动力学方程。这里的大波和小波是对波高而言的。在Hamilton描述中,正则变量取为波高和速度势。本文导出了描述小波演化的二阶方程,在一阶近似下的方程与Henyey等人(1988)的结果一致。     

参数冻结精细指数积分法在非线性车桥耦合振动分析中的应用

描述车桥耦合作用的基本问题是一个时变系统问题, 且很多工况下需考虑非线性特性, 使得该问题难以得到解析解, 甚至数值解也可能很复杂. 针对该问题的求解, 提出了一种参数冻结精细指数积分法, 将其应用于车桥耦合动力学模型的数值分析中. 该方法结合了精细积分和指数积分特点, 并将时变系数矩阵在每一积分步参数冻结, 用于获得系统振动响应的数值解. 考虑汽车轮胎与桥面的力和位移耦合关系、桥面沥青铺装层、桥梁材料黏弹性和几何非线性特性, 建立了车桥耦合动力学模型, 并应用参数冻结精细指数积分法对该模型进行了求解. 通过与近似解析解、辛Runge-Kutta算法以及经典的Newmark-β数值积分法计算结果进行对比, 验证了所提出方法计算结果的有效性和准确性. 在此基础上, 制作了缩尺车桥耦合系统模型, 测试了跨中挠度响应, 进一步验证了理论建模和所提算法的有效性和实用性. 通过数值计算分析了所提算法的数值特性, 结果表明: 提出的参数冻结精细指数积分法不仅可以处理时变、非线性问题, 且具有良好的数值计算精度和长时间数值稳定性; 由于精细积分的特点, 参数冻结精细指数积分法的计算时间步长可以取的较大, 可有效提高计算效率. 因此, 所提出的参数冻结精细指数积分法预期可成为求解车桥耦合动力学问题的一种新的高效算法.     

非线性水波Hamilton系统理论与应用研究进展

概述了辛几何理论与辛算法在Hamilton力学中的应用,综述非线性水波的Hamilton理论研究进展．阐述非线性水波Hamilton变分原理与方法的优越性与局限性,探讨KdV方程和BBM方程的Hamilton描述、对称性与守恒律,提出非线性水波Hamilton描述研究中有待进一步研究的问题和解法设想．     

薄板动力学相空间非传统Hamilton变分原理与辛算法

将弹性薄板动力分析从Lagrange体系改换为Hamilton体系.通过罗恩提出的一条简单而统一的途径,建立了弹性薄板动力学的相空间非传统Hamilton变分原理,并从该原理推导出相应的Hamilton正则方程、边界条件与初始条件.然后基于这种相空间非传统Hamilton变分原理,提出弹性薄板动力响应分析的辛空间有限元-时间子域法,文中数值结果表明,这种方法的计算精度与效率都明显高于常用的Wilson-θ法和Newmark-β法.     

UNCONVENTIONAL HAMILTON-TYPE VARIATIONAL PRINCIPLES FOR DYNAMICS OF REISSNER SANDWICH PLATE

According to the basic idea of classical yin-yang complementarity and modern dual-complementarity,in a simple and unified way proposed by Luo(1987),some uncon- ventional Hamilton-type variational principles for dynamics of Reissner sandwich plate can be established systematically.The unconventional Hamilton-type variation principle can fully characterize the initial-boundary-value problem of this dynamics.In this pa- per,an important integral relation is given,which can be considered as the generalized principle of virtual work in mechanics.Based on this relation,it is possible not only to obtain the principle of virtual work in dynamics of Reissner sandwich plate,but also to derive systematically the complementary functionals for five-field,two-field and one-field unconventional Hamilton-type variational principles by the generalized Legender trans- formations.Furthermore,with this approach,the intrinsic relationship among the various principles can be explained clearly.     

求解非线性结构动力方程的预估校正-辛时间子域法

提出了求解非线性结构动力方程的预估校正-辛时间子域法。首先,将结构非线性动力方程转换为状态空间方程,在任一时间子域内利用改进的欧拉法对各离散时刻的状态变量值进行预估和校正。然后,将离散的非线性项用Lagrange插值多项式展开并视为外荷载,结合辛时间子域法即可求解非线性动力系统的响应。这种方法不必对状态矩阵求逆,无需计算高阶导数,计算简单,格式统一,易于编程。算例结果表明,本文方法具有较高的计算精度、效率和稳定性,是一种求解非线性结构动力方程的有效方法。     

Analytical and numerical methods of symplectic system for Stokes flow in two-dimensional rectangular domain

In this paper,a new analytical method of symplectic system.Hamiltonian system,is introduced for solving the problem of the Stokes flow in a two-dimensional rectangular domain.In the system,the fundamental problem is reduced to all eigenvalue and eigensolution problem.The solution and boundary conditions call be expanded by eigensolutions using ad.ioint relationships of the symplectic ortho-normalization between the eigensolutions.A closed method of the symplectic eigensolution is presented based on completeness of the symplectic eigensolution space.The results show that fundamental flows can be described by zero eigenvalue eigensolutions,and local effects by nonzero eigenvalue eigensolutions.Numerical examples give various flows in a rectangular domain and show effectivenees of the method for solving a variety of problems.Meanwhile.the method can be used in solving other problems.