3D刚体摆动力学的离散变分数值方法研究

利用离散变分的数值积分方法研究3D刚体摆(3 Dimensional rigid pendulum)的姿态动力学数值计算问题。针对3D刚体摆的运动学及动力学方程解的稳定性及其能量、角动量与范数进行了数值仿真。在离散变分方法中引入李群概念,首先对3D刚体摆模型的简化形式——球摆做数值求解,然后分别对3D刚体摆的悬垂及倒置两种特殊情况进行数值求解,并将其结果与4阶龙格-库塔方法求解的结果进行比较。从数值仿真实验中可以看出,离散变分的数值积分方法相比龙格-库塔方法具有更高的精度。由此可得出李群离散变分方法具有较好的保结构及保能量特性。     

基于分层滑模方法的欠驱动3D刚体摆姿态控制

以3D刚体摆为研究对象,将地球静止轨道(GEO)航天器简化成3D刚体摆,此模型由一刚体绕一个固定且无摩擦的支点旋转且有3个转动自由度,刚体受恒重力(或万有引力)作用。利用滑模结构方法设计了分层滑模控制器,并用Lyapunov稳定性理论、Filippov等效定理与Barbalat引理以及推论,详细证明了该控制律的全局渐近稳定性。仿真实验结果表明,该方法能够有效地实现3D刚体摆悬垂和倒立平衡位置处的姿态渐进稳定性控制。     

3D刚体摆非线性动力学姿态特性研究

研究了3D刚体摆在一般情况和轴对称情况下的姿态动力学特性。通过建立3D刚体摆的动力学方程和运动学方程,利用非线性动力学的方法讨论了轴对称和非轴对称3D刚体摆的姿态运动。通过对两种情形刚体摆模型悬垂平衡位置加小摄动考察其姿态运动,可以发现在非轴对称情况下3D刚体摆出现混沌运动,在轴对称3D刚体摆情况下出现概周期运动。利用MATLAB进行仿真实验,分别得出非轴对称3D刚体摆的混沌姿态运动曲线和轴对称3D刚体摆的姿态概周期运动曲线,并分别给出庞加莱截面图。     

非完美界面复合材料的驻值原理与相应变分方程等价的充分条件

当界面非完美时,复合材料的能量泛函必须计入非完美界面效应,该效应以界面积分项形式出现。与完美界面不同的是,由于这个积分项的引入,非完美界面复合材料的驻值原理不再与相应的变分方程等价。这在理论上是不完整的。本文基于驻值原理对界面积分项作出整体假定,由此得到了非完美界面复合材料驻值原理与相应变分方程等价的充分条件,指出了实现这种假设所必须的界面几何形状性质。     

非完美界面复合材料的驻值原理与相应变分方程等价的充分 …

当界面非完美时,复合材料的能量泛函必须计入非完美界面效应,该效应界面积分形式出现,与完美界面不同的是,由于这个积分项的引入,非完美界面复合材料的驻值原理不再与相应的变分方程等价。这在理论上是不完整的。本文基于驻值地界面积分项作出整体假定,由此得到了非完美界面复合材料驻值原理与相应变分方程等价的充分条件,指出了实现这种假设所必须的界面几何形状性质 。     

基于小波变换和奇异值分解的数字水印算法

本文提出了一种基于离散小波变换与奇异值分解相结合的水印嵌入方法.对混沌置乱后的水印奇异值分解,把分解后的奇异值重复嵌入到原始图像小波变换后的各子带中,根据不同的攻击方式在不同的小波子带中提取水印.实验仿真表明,这种方法对几何攻击、加噪、JPEG压缩等均保持了良好的稳健性.     

奇异杂交边界点法求解扭转问题

提出了一种新的边界类型的无网格方法——奇异杂交边界点法用于求解扭转问题,该方法是以修正变分原理和移动最小二乘近似为基础,同时利用无网格法局部边界积分方程中的局部化思想,计算时仅仅需要边界上离散点的信息,因此它同时具有边界元法和无网格法的优良特性。本文将该方法同双重互易法结合用来求解扭转问题,将该问题的解分为通解和特解两部分,其中通解使用奇异杂交边界点方法求解,特解则利用局部径向基函数近似,彻底避免了域内积分。使用刚体位移法处理方法中的强奇异积分,同时提出了一种自适应的积分方案,解决了边界类型方法中存在的"边界层效应"。数值计算表明,本文方法具有较高的精度和收敛性。     

3D刚体摆的鲁棒控制器设计和比较分析

3D刚体摆是研究刚体复杂旋转动力学与控制问题的典型系统。针对3D刚体摆受外界扰动以及转动惯量的不确定性,根据鲁棒H∞控制理论,采用线性矩阵不等式(LMI)的方法设计了一种状态反馈H∞控制律。仿真结果表明,鲁棒控制器对系统参数的变化具有较强的鲁棒性。与PID控制器比较,鲁棒控制器对于3D刚体摆控制系统具有较好的动态特性和稳定性。     

3D刚体摆姿态平衡流形的稳定性研究

针对3自由度(3D,3-Degrees)刚体摆姿态平衡流形的稳定性问题进行了研究。利用3-2-1欧拉姿态角的描述方式建立了3D刚体摆的姿态动力学方程和运动学方程,并对其数学模型进行了姿态约化;由3D刚体摆的约化方程解得了4组彼此不相交的一维平衡流形,对3D刚体摆的姿态平衡流形进行了讨论,并绘出其在球面的平衡流形图,利用李亚普诺夫一次近似理论讨论了这4组平衡流形的稳定性,得出结论:3D刚体摆一维平衡流形为李亚普诺夫意义下不稳定,计算机仿真验证了这一结论。     

轨道结构动力响应Newmark方法时间积分步长的确定

为了明确轨道结构动力响应计算中Newmark方法时间积分步长的确定依据,采用双层离散点支承轨道结构模型解析求解不同移动速度点荷载作用下的轨枕动反力频谱,进而采用模态叠加法和Newmark方法求解不同时间积分步长下上述双层轨道结构的位移和加速度响应,并与高精度的四阶Runge-Kutta方法计算结果对比.结果表明,不同荷载移动速度下的时间积分步长均应满足Nyquist采样定理,且采样定理中的频带宽度应至少包括由离散支承参数激励引起的轨枕动反力频谱的前二阶谷值.作为算例,根据上述采样定理确定的时间积分步长,采用Newmark方法计算了移动列车轴荷载作用下三层离散点支承轨道的枕木及道砟加速度响应.     

3D刚体摆姿态稳定性的自适应滑模控制

针对3D刚体摆的倒立平衡位置处的姿态稳定性问题,考虑系统的惯量不确定性,根据3D刚体摆的约化姿态模型建立滑模面,设计相应滑模控制器,并引入自适应滑模控制,用于处理参数模型不确定的情况。李雅普诺夫稳定性分析表明提出的自适应滑模控制律能够确保3D刚体摆姿态控制系统渐近稳定。仿真实验验证了方法的有效性。     

圆外区域Stokes流混合边值问题的自然边界元法

针对圆外区域Stokes流的速度-压力混合边值问题,基于自然边界元原理及复变函数性质并运用Fourier级数展开法推导了圆外区域Stokes方程的Poisson积分公式及自然积分方程,通过分段线性单元将自然积分方程的近似变分问题离散化,求解出压力边界上的速度分布,从而将速度-压力混合边值问题转化成纯粹的速度边值问题,最后利用Poisson积分公式即可给出相应问题的速度分布表达式.计算结果表明:理论计算得到的速度场与CFD软件的计算结果一致;基于自然边界元法的Stokes流混合边值问题的求解,能够降低维数,同时所需求解的矩阵是对称正定的,尤其是边界为圆周时,矩阵还具有循环特性,从而有助于计算量的减小.     

非线性裂纹扩展分析(二)

应用可动边界变分问题的理论研究了弹塑性理论的裂纹扩展问题。根据裂纹扩展时能量泛函的驻值条件,建立了任意元素的围道积分定理。由围道积分定理可求得裂纹扩展时的能量释放量,同时,基于能量泛函数二阶变分,得到了裂纹扩展时的稳定条件和临界条件。     

KdV方程的多辛算法及其孤子解的数值模拟

基于Hamilton空间体系的多辛理论研究了KdV方程.导出了KdV方程的多辛形式及其多种守恒律,并构造了相应的Preissman多辛离散格式及其等价形式.孤子解数值模拟的结果表明:文中构造的多辛格式是有效的,该格式能较好地保持系统的能量和动量特性,并具有良好的长时间数值行为及稳定性.     

一类变系数抛物型微分方程的自由边界问题

研究一类变系数抛物型微分方程的自由边界问题,根据变系数这一特点,用积分插值法建立方程的守恒差分格式.在方程无相变的情况下,相应地用隐式差分格式逼近微分方程,得到离散点温度值随时间或空间变化的规律.     

有相变的变系数抛物型微分方程自由边界问题

研究一类变系数抛物型微分方程的自由边界问题,根据变系数这一特点,用积分插值法建立方程的守恒差分格式。在方程有相变的情况下,相应地用显式差分格式逼近微分方程,得到离散点温度值随时间或空间变量变化的规律。     

基于DCT的实值离散Gabor变换分析窗的快速求解算法

为了快速有效地实现实值离散Gabor变换,利用离散余弦函数的正交性将原求解分析窗函数的双正交条件式简化,把原求解方程组分解成若干独立的子方程组,给出了一种基于DCT的实值离散Gabor变换分析窗的快速求解算法.通过算法实验比较,验证了此算法的有效性和在计算时间方面的优越性.     

广义KdV—mKdV方程的多辛算法及孤波解数值模拟

基于Hamilton空间体系的多辛理论研究了广义KdV-mKdV方程.导出了广义KdV-mKdV方程Bridges意义下的多辛形式及其多种守恒律,并构造了相应的Preissmann多辛离散格式及其等价形式.孤波解数值模拟的结果表明:文中构造的多辛格式是有效的,该格式能较好地保持系统的局部能量和动量特性,并具有良好的长时间数值行为及稳定性.     

常值径向推力加速度下航天器轨道运动特性研究

文章研究了航天器在常值连续径向推力加速度作用下的运动特性。首先,基于非开普勒轨道理论,在惯性坐标系中建立了连续推力作用下航天器的动力学模型,经过推导和分析得了出在常值径向推力加速度下轨道动量矩仍保持常值,但其能量发生变化的结论。同时针对初始轨道是椭圆轨道的一般情况,分析了航天器在连续常值径向推力作用下环绕地球运动的条件,推导给出了求解逃逸点临界加速度的方程组。最后,对椭圆初始轨道和圆初始轨道的情况分别进行了分析和求解,并以仿真曲线的形式给出了不同常值加速度下轨道变化特性以及逃逸点临界加速度随轨道参数变化的特性,为机动轨道设计提供了理论参考。     

基于变分量子虚时演化和UCC Ansatz的基态求解器

对于量子多体体系,其基态的求解十分重要。变分量子本征求解器VQE是一种基于量子计算的变分基态求解算法,由于其需要结合量子电路和经典的变分算法,使得量子电路的复杂性和变分算法的有效性显得极其重要。针对量子分子体系,提出了一种变分基态求解器。运用单电子约化密度矩阵分析得到在自然分子轨道表象下的电子轨道占据数,根据占据数大小简化了体系哈密顿量和相应的UCC ansatz线路。并运用变分量子虚时演化算法替代VQE中常用的梯度算法,因此不易受到参数空间的梯度分布的影响,使得变分过程收敛更快,更具鲁棒性。