The application of the variational principle in the constrained control system

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弹性平面扇形域问题及哈密顿体系*

通过变量代换及变分原理,将平面弹性扇形域的方程导向哈密顿体系,从而可用分离变量法、本征函数展开等方法求解扇形域的分析单元,这样便可以与有限元的程序系统相结合。显示了哈密顿体系、辛数学的应用潜力。     

WKBJ近似保辛吗?

WKBJ短波近似是最常用的有效求解方法之一。保守体系的微分方程可用Hamilton体系的方法描述,其特点是保辛。保辛给出保守体系结构最重要的特性。但WKBJ短波近似却未曾考虑保辛的问题。本文给出验证近似解保辛的条件,并指出WKBJ近似难于保辛。然后给出正则变换的摄动保辛方法。数值例题展示了提出的保辛算法的有效性。     

区段混合能的偏微分方程

结构力学与最优控制模拟关系的共同基础就是分析力学,表明在结构力学与最优控制理论的架构内也应有分析力学的整套理论。传统分析力学总是考虑连续时间、同时的状态、不变维数的体系。并且物性为即时响应的。但结构力学有限元要考虑离散坐标、不同坐标状态、而且变动维数、时滞的体系。根据区段变形能只与其两端位移有关,就可通过数学分析得到Lagrange括号与Poisson括号等内容。区段变形能就是作用量,满足Hamilton-Jacobi方程。但还有区段混合能的表示,本文证明它满足雷同的偏微分方程。它们在离散体系时还有偏差分方程。本文进一步给出了其与Riccati方程的关系。     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅱ)DAEs求解算法对比

研究求解微分-代数方程组(DAEs)的高效率、高精度和高稳定性数值积分方法一直是多体系统动力学领域的热点问题之一。本文将求解结构动力学方程的Bathe数值积分策略应用于DAEs的求解,并基于SiPESC平台开发了开放式多体系统动力学仿真算法软件,综合比较研究了Newmark法、HHT-I3法、Generalizedα方法、Bathe方法和祖冲之类Symplectic方法。通过复摆、刚-柔耦合双摆和对称陀螺三个数值算例研究了算法参数与数值阻尼的关系。数值实验表明,Newmark方法在特定参数下引入的数值阻尼通常不可控,HHT-I3方法、Generalizedα方法和Bathe方法通过选择特定步长和参数可引入可控的数值阻尼,祖冲之类Symplectic方法无数值阻尼。在求解真实高频和低频耦合问题以及高速旋转的陀螺问题时,采用祖冲之类Symplectic方法或者无耗散的Newmar方法能够对系统的高频成分进行准确模拟。     

陀螺系统随机振动分析的辛本征展开方法

探讨了受随机载荷作用下陀螺阻尼系统随机动力响应问题.虚拟激励法作为随机振动分析的一种高效、精确方法已经广泛应用于结构抗震、抗风等工程领域.在以单类物理变量描述的Lagrange(拉格朗日)体系框架下,振型分解方法已被有效应用于上述随机振动问题的模型自由度缩减.然而,对于陀螺系统的随机振动问题,由于陀螺效应的存在,基于Rayleigh商本征值的振型分解方法受到很大限制.对此,首先给出了陀螺系统辛本征值问题的一般形式.然后对于受平稳随机载荷激励的陀螺系统(无阻尼或有阻尼)引入虚拟激励法,基于辛本征空间展开推导了系统随机振动响应功率谱的求解列式;对于仅考虑陀螺效应的保守系统(无阻尼),该求解列式可以表述为一个显式表达式.在数值算例中,应用该文提出的方法分析了平稳随机载荷作用下一类阻尼陀螺系统的随机振动响应问题,通过与其它方法进行对比,验证了该方法的精确性和有效性.     

分刊辞

钱伟长先生于1980年在重庆交通学院(现重庆交通大学)创办《应用数学和力学》,其英文版随即创刊,迄今已逾33载.钱先生当年发刊词高瞻远瞩,提出本刊目标:"为了在新长征道路上,发表我国力学和应用数学的新成就,并真正做到学术上的百家争鸣、百花齐放,用以推动我国应用数学和力学的发展."其拳拳之心,日月可鉴.特此将钱先生发刊词重新登载,以承其志.     

不可压缩材料分析的界带有限元

针对完全不可压缩材料系统(ν=0.5),提出流函数的概念,给出相应的变分原理,并进行数值分析．流函数的引入涉及到高阶微分,为此提出界带有限单元．该单元基于界带理论,能够很好地解决具有高阶微商的变分原理所带来的高阶近似问题．     

基于界带模型的碳纳米管声子谱的辛分析

针对碳纳米管声子谱的数值计算方法研究,基于对偶体系和辛几何算法提出了一套全新的计算方法和相应的界带结构模型,通过将碳纳米管模拟成不同的结构力学模型,利用分析结构力学中的振动理论来计算碳纳米管的色散关系.理论框架包括:周期结构的变分原理、周期结构中波的传播分析、子结构方法、界带理论和声子色散关系的基本算法.数值算例验证了理论和算法的有效性,而且也指出了针对碳纳米管的声子谱的计算,界带模型相对于其它传统模型存在着一定的优势.     

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。