大规模动力系统高精度増维精细积分方法快速算法

考虑高精度増维精细积分法求解大规模动力系统快速算法。为提高増维精细积分方法求解大规模动力系统精度,将非齐次项近似为高阶多项式,形成高精度増维精细积分方法;为减少计算时间、提高计算效率,提出高精度増维精细积分方法快速算法。算例表明,通过提高非齐次项近似阶数可显著提高计算精度,快速算法可使计算效率呈量级提高,高精度快速算法适合大规模动力系统长时间推进计算。     

基于对偶神经网络的动力方程精细积分法EI北大核心CSCD

针对一般动力学方程,提出了一种用于求解具有任意非齐次项动力学方程的对偶神经网络精细积分算法。在时间域内,对动力学非齐次方程求解中涉及到的积分运算,选用一组神经网络同时逼近被积函数和原函数,然后通过牛顿莱布尼茨公式实现积分项的求解。该方法利用神经网络的函数拟合优势,具有对时间步长不敏感,不需要对矩阵求逆,不对非齐次项进行假设等优点。通过算例与精细积分法、威尔逊-θ、广义精细积分法等方法进行比较,计算结果表明该方法精度较高、适用范围广。     

线性动力分析的一种通用积分格式

针对线性动力状态方程■,结合泰勒级数展开式和广义精细积分法,提出了一种避免状态矩阵求逆的线性动力分析的通用积分格式。将非齐次项在t_(i+1)=(i=0, 1, 2,…,n)时刻利用泰勒公式将其展开成幂级数形式;结合广义精细积分法中的递推公式即可求解出非齐次项的动力响应。该方法计算格式统一,易于编程,通过选取幂级数的项数,可得到不同的计算精度。与传统的数值积分法相比,该方法具有很高的精度、稳定性及适当的效率,可用于求解任意激励下结构的动力响应。     

连续梁瞬态振动离散时间精细传递矩阵法

针对连续梁振动问题,将通常诸如中心差分法、Hewmark-β法等结构动力学差分方法和矩阵指数精细积分法相结合,提出了一种高效求解连续梁瞬态振动的方法,离散时间精细传递矩阵法.该方法基于连续梁振动偏微分方程,将惯性项中加速度通过差分法线性化为位移的线性函数,于是原系统的连续偏微分方程就转化为线性非齐次常微分方程组.通过精细积分法求解该系统从一端到系统另一端的传递矩阵,非齐次项可选用梯形积分、高斯积分等方法得到,结合边界条件既可进行系统动力学分析.系统固有振动分析可视为读方法的特例.通过数值算例证明提出的方法精度高、有效.     

非线性动力分析避免状态矩阵求逆的精细积分多步法

将精细积分法和预估-校正Adams Bashforth Moulton多步法相结合,提出了高精度的精细积分多步法,对非线性动力状态方程进行求解,避免了对状态矩阵求逆.该方法与精确值和现有Adams多步法进行比较,数值计算结果表明该方法是一种高精度、高效率和稳定性较好的方法.该方法可方便地进行不同阶次的积分运算.     

动力学方程的解析逐步积分法

提出了求解动力学方程的一个新型的逐步积分法。基于动力学方程的解析齐次解,构造出动力学方程解的一般积分表达式,借助于显式、自起动、预测－校正的单步四阶精度的积分算法,离散方程右端的等价荷载项,给出了一个新的解析逐步积分方法格式。如果用分块求解,其刚度阵、质量阵等将有较小的规模,将使计算效率更高。算例表明本文方法比中心差分法、Ｎｅｗｍａｒｋ、Ｗｉｌｓｏｎ－θ、Ｈｏｕｂｏｌｔ法等有较高的精度,本文结果更接近解析解。本文方法也适用于非线性,因为本计算格式是显示,因此不需要迭代求解。     

求解水下非圆弹性环声散射问题的一种半解析方法

基于传递矩阵法、齐次扩容精细积分法和复数矢径虚拟边界谱方法 ,提出了一种求解水下非圆弹性环声散射问题的半解析方法。该方法具有以下几个优点 :(1)采用复数矢径虚拟边界谱方法 ,不仅能保证在全波数域内Helmholtz外问题解的唯一性 ,而且由于虚拟源强密度函数采用 Fourier级数展开 ,克服了用单元离散解法不能用于较高频率范围的缺点 ;(2 )采用齐次扩容精细积分法求解非圆弹性环的状态微分方程 ,其计算结果具有很高的精度 ;(3)耦合方程不需要交错迭代求解 ,提高了计算效率。文中给出了两个典型非圆弹性环在平面声波激励下的声散射算例 ,计算结果表明本文方法是一种求解二维非圆弹性环声散射问题非常有效的半解析法。     

基于动力特征分区的显式-精细混合积分法

大型动力系统中常因局部的高频振动及非线性等特性限制了系统的积分步长而导致整体计算量激增，针对此问题提出一种分区域异步长显式-精细混合积分方法。在特性复杂的局部区域采取显式积分法，根据精度和稳定性要求取较小的时间步长求解；在其余常规区域则应用精细积分方法，采取可以跨越显式积分区周期的大积分步长求解。对于精细积分区域边界荷载，提出一种基于离散FFT变换的线性项与主频谐波项的组合表示方法，并给出了此种荷载形式下的精细积分计算格式。数值算例结果表明该法能够明显提高计算效率，在显式积分区域和精细积分区域都有很高的精度。     

车辆-轨道非线性耦合动力学的精细积分法及其应用

提出精细积分法求解移动质量与结构相互作用的新的计算方法。分析焊接接头不平顺和轨枕悬空对轮轨力和轨道部件之间相互作用力的影响。该方法采用非齐次项的Duhamel积分的精细积分算法,避免状态空间下系统矩阵求逆。通过Lagrange插值多项式获得移动质量与结构相互作用的载荷项外插公式,无需迭代求解移动质量和结构非线性相互的动态响应。系统矩阵具有时不变性,无需反复计算指数矩阵。在每个积分步内,利用Euler梁的形函数分解移动载荷项,获得移动载荷与结构相互作用时间和空间连续变化的情况。计算结果表明,轮轨力的第一个峰值主要由于焊接接头不平顺造成,轨枕悬空主要影响轮轨力第二峰值。焊接接头不平顺区易出现轨枕悬空。轨枕悬空出现后,悬空区有扩大的趋势。     

结构动力方程的一种自适应步长增维精细积分法EI北大核心CSCD

增维精细积分法是一种求解结构动力方程的高精度逐步积分算法,其步长的选取会对计算精度产生极大的影响,在实际应用中存在难以确定合适步长的问题。为满足实际工程中对计算精度和效率的要求,提出了一种计算误差的估计方法,并以估计误差和迭代收敛速度为基准,建立了一种自适应步长增维精细积分法。针对三种结构动力方程的算例结果表明,在计算各类线性及非线性振动问题时,该方法均可以在保证计算精度的前提下快速有效地控制算法的计算步长,并且仅需较少的额外计算消耗,显著提高了增维精细积分法的计算效率,使该方法在求解结构动力方程时更具计算优势和实用价值。     

分析旋转薄壳的传递矩阵法

基于一般线弹性薄壳理论,首次导出了旋转壳体状态向量的一阶常微分矩阵方程,此方程是一般旋转壳的传递矩阵法分析所必需的.借助齐次扩容技术和精细积分,应用推广的传递矩阵法对旋转薄壳的静动力问题进行了数值求解.算例结果表明:提出的一套解法不仅精度良好,而且具有较高的计算效率;它为分析变厚度旋转壳的各类问题寻求一种半解析方法奠定了基础.     

一种结构动力方程的并行直接积分方法

本文提出了一种求解大型结构动力方程的新的并行直接积分方法。该方法在L.Brusa和L.Nigro提出的一步(one-step)直接积分方法的基础上,引进并行运算步骤。并行运算步骤是通过将动力积分方程子结构化,同时进行组集和凝聚实现的。该方法在西安交通大学ELXSI-6400并行机上程序实现,计算结果表明能有效地求解大型结构有限元动力方程的并行直接积分方法。     

时域径向积分边界元法在平面单相凝固问题中的应用

该文将时域精细积分边界元方法与界面追踪法相结合,给出平面单相凝固热传导问题的一个有效数值分析方法。首先,利用稳态热传导问题的基本解和径向积分法给出瞬态传热问题的边界积分方程,并采用精细积分方法求解离散的微分方程组,获得相变界面的热流密度。然后应用相变界面上的能量守恒方程,采用界面追踪法来预测相变边界的移动位置,从而给出相关问题数值模拟的结果。最后,为验证该文方法的有效性,给出两个数值算例并与解析解进行了对比。结果表明,该文方法具有较高的求解精度,是求解相变热传导问题的一种有效数值方法。     

分析静电力作用下微梁大挠度变形的一种高精度计算模型与方法

考虑静电力边缘效应的影响,通过薄板大挠度弯曲微分方程退化建立了微梁大挠度变形的一阶控制方程组,并采用打靶法将微梁大挠度变形的边值问题转化为初值问题,借助高精度迭代修正齐次扩容精细积分法建立了一种新的分析微梁大挠度变形的计算模型与方法。为了保证非线性代数方程组求解的收敛性和稳定性,该文根据微梁的受力特点提出了一种增量迭代的算法。数值算例表明:该文所提出的方法具有较高的精度和稳定性,是分析微梁大挠度变形的一种有效方法。     

Boundary-only element solutions of 2D and 3D nonlinear and nonhomogeneous elastic problems

This paper presents a robust boundary element method (BEM) that can be used to solve elastic problems with nonlinearly varying material parameters, such as the functionally graded material (FGM) and damage mechanics problems. The main feature of this method is that no internal cells are required to evaluate domain integrals appearing in the conventional integral equations derived for these problems, and very few internal points are needed to improve the computational accuracy. In addition, one of the basic field quantities used in the boundary integral equations is normalized by the material parameter. As a result, no gradients of the field quantities are involved in the integral equations. Another advantage of using the normalized quantities is that no material parameters are included in the boundary integrals, so that a unified equation form can be established for multi-region problems which have different material parameters. This is very efficient for solving composite structural problems.     

Numerical expansion-iterative method for analysis of integral equation models arising in one- and two-dimensional electromagnetic scattering

Most integral equations of the first kind are ill-posed, and obtaining their numerical solution needs often to solve a linear system of algebraic equations of large condition number. So, solving this system may be difficult or impossible. Since many problems in one- and two-dimensional scattering from perfectly conducting bodies can be modeled by Fredholm integral equations of the first kind, this paper presents an effective numerical expansion-iterative method for solving them. This method is based on vector forms of block-pulse functions. By using this approach, solving the first kind integral equation reduces to solve a recurrence relation. The approximate solution is most easily produced iteratively via the recurrence relation. Therefore, computing the numerical solution does not need to directly solve any linear system of algebraic equations and to use any matrix inversion. Also, the method practically transforms solving of the first kind Fredholm integral equation which is inherently ill-posed into solving second kind Fredholm integral equation. Another advantage is low cost of setting up the equations without applying any projection method such as collocation, Galerkin, etc. To show convergence and stability of the method, some computable error bounds are obtained. Test problems are provided to illustrate its accuracy and computational efficiency, and some practical one- and two-dimensional scatterers are analyzed by it.     

Cauchy-type integrals and integral equations with logarithmic singularities

Summary The Gauss-type quadrature methods with a logarithmic weight function can be extended to the evaluation of Cauchy-type integrals and to the solution of Cauchy-type integral equations by reduction of the latter to a linear system of algebraic equations. This system is obtained by applying the integral equation at properly selected collocation points. The poles of the integrand lying in the integration interval were treated as lying outside this interval. The efficiency of the method, both in evaluating integrals and solving integral equations, is exhibited by a numerical example. Finally, an application of the method to a crack problem of plane elasticity is made.     

Precise integration methods based on Lagrange piecewise interpolation polynomials

This paper introduces two new types of precise integration methods for dynamic response analysis of structures, namely, the integral formula method and the homogenized initial system method. The applied loading vectors in the two algorithms are simulated by the Lagrange piecewise interpolation polynomials based on the zeros of the first Chebyshev polynomial. Developed on the basis of the integral formula and the Lagrange piecewise interpolation polynomial and combined with the recurrence relationship of some key parameters in the integral computation suggested in this paper with the solving process of linear algebraic equations, the integral formula method has been set up. On the basis of the Lagrange piecewise interpolation polynomial, and transforming the non‐homogenous initial system into the homogeneous dynamic system, the homogenized initial system method without dimensional expanding is presented; this homogenized initial system method avoids the matrix inversion operation and is a general homogenized high‐precision direct integration scheme. The accuracy of the presented time integration schemes is studied and is compared with those of other commonly used schemes; the presented time integration schemes have arbitrary order of accuracy, wider application and are less time consuming. Two numerical examples are also presented to demonstrate the applicability of these new methods. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

复阻尼结构动力方程的增维精细积分法

为了避开求解复阻尼结构强迫激励动力学方程的积分运算,引入增维精细积分方法。根据复阻尼系统复化对偶原则,将动力学方程和激励波对偶复化为实部和虚部的形式,推导出增维矩阵的精细积分求解过程。结果表明,由于不用求解迭代矩阵H的逆矩阵,避免了矩阵奇异带来的计算解的不稳定性。在计算矩阵仅增加一维的情况下,化积分运算为代数运算,扩大了精细积分法的应用范围。通过对比增维精细积分法和频域法计算结果,二者结果保持较高的一致性。