一维浅水波方程有限体积流通量限制方法的数值研究

本文讨论有限体积方法求解一维浅水波方程的流通量限制方法.该方法将高阶数值流通量与低阶数值流通量作适应性组合,在解的光滑区域表现为高阶精度,在解的不光滑区域表现为低阶精度从而抑制数值振荡.数值实验表明该方法能更高分辨率地求解一维非线性浅水波方程组.     

Stokes问题各向异性B-R外推的研究

研究了Stokes问题在各向异性网格下B-R元的渐近误差展开和分裂外推,在不要求网格剖分满足正则性条件或拟一致假设的条件下,运用积分恒等式技巧和混合元理论确定了偏微分方程精确解与有限元插值之间积分式的主项.同时根据连续条件,将相邻单元上其主项的某些部分相互抵消,经求和处理后,得到了整个求解区域上的主项,并对该主项引入辅助问题利用Stokes问题解的正则性理论给出精确解与有限元插值之间的一个误差渐近展开式,通过构造两个具有各向异性的插值后处理算子,最后得到了Stokes问题各向异性B-R高阶外推问题的几个结果.结果表明有限元解经插值后处理和分裂外推后,与通常的误差估计相比,收敛速度提高了一阶,避免了采取传统正则网格剖分所产生的计算量很大或无法反映其解的各向异性特征的情形.     

用于柔性转子主动控制的等几何Timoshenko梁模型及其数值验证

为了克服采用标准有限元方法建立的转子模型自由度多不便直接用于控制器设计的问题,结合等几何分析方法的精度高、自由度少的特点,提出了把低阶等几何Timoshenko梁模型运用到柔性转子的主动控制中,并进行了数值验证。首先,给出了半离散等几何模型及在主动控制中作为转子控制输入信号的各类边界条件;其次,分别对比了高、低阶等几何模型的奇异值响应以及简支条件下的高、低阶模型的数值解与理论解;最后,在采用磁悬浮轴承支撑和给定分布不平衡力扰动的条件下,对转子进行了分散比例微分(PD)仿真控制。结果表明:所采用的低阶模型的奇异值响应在前6阶临界转速范围内与高阶模型基本一致;高阶模型的前10阶模态频率很好地吻合了理论解,低阶模型前4阶模态频率误差在0.2%以内;高、低阶等几何梁模型下的转子不平衡振动位移稳态响应的差别很小,该误差可看成工作转速下的同频小扰动。低阶等几何梁模型在低频范围的高精度验证了该方法所得低阶模型直接用于控制器设计的可行性。     

复杂表面问题的有限元计算与分析

碰撞、弹塑变形问题等交通运输器的安全试验通常采用实验室实物模型与计算机模型相结合进行模拟.对三维复杂区域的接触,国际标准方法采用接触变形算法模拟滑动控制.本课题采用流固耦合非牛顿流体方程初边值问题求解三维层结构特性,通过基于变分原理的摄动问题有限元方法,在高性能软件平台上实现数据的挖掘处理.由Sobolev空间嵌入原理,可将模型按接触区域进行分层单元剖分,将复杂区域剖分为若干相互连接、不重叠的六面体与空间平面四边形单元.同时,建立微观与宏观有限元双尺度计算模型进行模拟仿真对比,得到模型的能量与速度等一系列参数的变化曲线.此外,接触表面问题又可采用渐近摄动方法中的边界层理论进行研究,由此得到的微分方程特征函数空间,既可作为优化有限元基函数的解,又可用于建立一种新型的非线性特征值的渐近方法,也是估计材料特定参数的方法之一.最后,使用人工边界条件随机处理方法对求解结果的数据进行分析.     

求解一类高阶奇摄动线性边值问题

文章研究了一类高阶奇异摄动线性系统的近似解,通过降阶将高阶奇异摄动系统转化成一般的低阶变系数奇异摄动系统,再根据不同的边界层引入伸长变量构造渐近解,并对其进行分析,得出了相应的结果.     

一种改进的有限点集法模拟高阶非线性动力学问题

针对高阶非线性动力学问题的求解,提出了一种改进的有限点集法(corrected finite pointset method,CFPM).首先将具有高阶导数的非线性偏微分方程分解为若干一阶偏微分方程,并采用有限点集法对其进行离散求解;然后连续应用低阶导数逐阶逼近高阶导数;最后对比一维非线性黏性Burgers方程及具有高阶导数的Kd V-Burgers方程的数值解与解析解,并将二维非线性Burgers方程的数值结果与其他数值结果进行比较.实例分析表明,CFPM方法能够准确、可靠地求解非线性动力学问题.     

电场计算的快速多极子预条件高阶边界元法

针对多介质工频电场计算中低阶边界元法及预条件(GMRES)法的计算精度低及计算成本高的不足,在低阶边界元法基础上引入高阶边界元和快速多极子法,提出了一种用于求解三维电场分布的快速多极子预条件GMRES高阶边界元法。建立了三维电场计算高阶边界元模型,阐述了快速多极子预条件GMRES高阶边界元法基本原理和具体实现方法;通过双介质实验模型进行了方法验证,并基于500kV变电站部分关键设备的三维电场计算,表明该方法在电场计算精度及在内存消耗和计算时间上均比预条件GMRES法有明显的优势。最后将计算结果与实际测量值进行了比较,该方法的计算结果与测量值最大相对误差为8.65%,该方法更适合于分析变电站这种大尺度多介质环境下的工频电场分布。     

Duffing方程高阶一致有效渐近解的研究

对非线性振动中常见的一类Duffing方程的高阶一致有效渐近解进行探讨，采用克雷洛夫（Dpbjob)小参数法结合计算机代数，推导出高阶渐近解的一般形式，克服了手工推导的烦琐，提高了结果的精确度，这样在求解此类具体问题时，只需给出参数值，调用程序模块，即可在计算机上实现整个推导，求解工作，程序模块使用Mathematica系统编写，使用环境为Mathematica系统。     

Stokes方程组Hood-Taylor元的分裂外推

考虑拟一致矩形网格上Stokes方程组Hood-Taylor元的多参数渐近误差展开和分裂外推.在每个单元上用Bramble-Hilbert引理确定微分方程精确解与有限元插值之间积分式的主项.由连续性条件相邻两个单元上其主项的某些部分可以相互抵消,经求和后,得到整个求解区域上的主项.对该主项引入辅助问题并利用Stokes问题解的正则性理论给出精确解与有限元插值间的一个误差渐近展开式.有限元解经插值后处理和分裂外推后,与通常的误差估计相比,收敛速度提高了一阶.     

三层空间框架结构的振动研究

对一个简化的三层空间框架钢结构进行强迫振动试验,得到结构的低阶自振特性;同时对该三层空间框架结构进行有限元分析,通过模态分析模拟得到该结构的低阶自振特性;数值模态分析的低阶结果与实验结果相比较,有良好的一致性,说明计算模型可靠;利用有限元法模拟该空间框架结构的高阶自振特性,为框架结构的建筑或厂房的自振频率的计算提供实验依据和有限元分析依据。     

微分中值定理“中间点”的渐近性

为了研究区间两端点同时趋近于一定点时,柯西微分中值定理"中间点"的渐近性,利用二元函数洛必达法则建立了柯西微分中值定理"中间点"的渐近估计式。与已有文献使用的方法相比,该方法证明过程简练,所得结果新颖,并推广、改进了有关文献中的结果。     

C4旋转对称光子晶体平板中的对称保护连续谱束缚态

在光子晶体平板中,连续谱束缚态关于C2和C6旋转对称的依赖性已经在数值上进行了广泛研究,但是缺少严格的理论分析过程,此外还缺少对C4旋转对称的研究,鉴于此,构建了系统分析连续谱束缚态关于所有旋转对称的依赖性的理论,并且重点研究了C4旋转对称的情况;首先,通过分析具有旋转对称的结构中麦克斯韦方程组特征解的性质,将连续谱束缚态的存在性问题转变为旋转矩阵的特征值是否与一个简单代数方程的解相同的问题;其次,给出了C4旋转对称的结构中连续谱束缚态存在时所对应的条件;然后,证明了破坏C4旋转对称保持C2旋转对称时,连续谱束缚态依然存在;最后,利用有限元软件FreeFEM进行了大量的数值验证;上述理论可适用于所有旋转对称的情况,深入揭示了旋转对称对连续谱束缚态存在的重要性,深入揭示了高阶旋转对称性与低阶旋转对称性之间的依赖关系,为连续谱束缚态的实际应用提供了理论指导。     

一类临界Schr?dinger方程的正基态径向解

研究了径向空间中带有Sobolev临界指数的Schr?dinger方程,不要求方程临界项带有的位势满足周期或渐近周期的相关条件.主要利用Nehari流形和Ekeland变分原理找到相应流形上的极小化序列,进而证明基态径向解的存在性.最后运用强极大值原理证明方程的解是正解,从而得到方程的正基态径向解.     

具有各阶导数的高阶边值问题的正解存在性

利用锥上的一个不动点定理,给出了非线性项中含有各阶导数的高阶边值问题正解存在的充分条件,为此,首先给出相应边值问题的Green函数,然后赋予非线性项一定的增长条件.     

弹性压头与正交各向异性梁的接触问题

本文将文推广到弹性压头情形。采用近似格林函数方法,建立弹性压头与正交各向异性梁接触问题的积分方程。其中格林函数是由半平面的位移解,梁的挠度理论求得。文中对简支梁对称地受压头作用进行分析。假定未知的压力分布展开成Chebyshev多项式,比较各项的系数即可得到积分方程的闭合解,于是接触应力,压力与接触区长度等关系即可得出。     

计入粗糙度的深沟球轴承弹塑性接触性能分析

为揭示表面粗糙度对深沟球轴承弹塑性接触性能的影响,根据该轴承的载荷分布,把滚动体与内滚道接触转变为二次型函数极值问题,并建立考虑表面粗糙度的该轴承弹塑性接触模型,运用半解析法对该模型进行求解,获得了计入表面粗糙度影响的深沟球轴承弹塑性接触性能。数值结果表明:表面粗糙度会使内滚道宽度方向两端处的局部压力减小,同时使内滚道接触压力、von Mises应力、残余应力和残余变形的幅值较光滑情况时增大;同时表面粗糙度导致深沟球轴承中内滚道接触压力和残余变形分布发生波动,易使内滚道次表面产生应力集中,进而影响轴承整体使用寿命。     

求解复杂约束条件下最优控制问题的分段低阶Gauss伪谱法

针对含有复杂约束条件的最优控制问题,提出分段低阶Gauss伪谱法。以常规Gauss伪谱法为基础,划分时间区间,在子区间上利用低阶Gauss数值积分离散Bolza型性能指标,利用插值型数值积分的性质离散状态微分方程,利用低阶Gauss伪谱法处理复杂约束条件,得到对应的非线性规划。对状态轨线或控制函数较复杂的情形,该方法克服了传统Gauss伪谱法直接在时间区间上配置Gauss点,插值多项式阶数高、数值解不稳定的缺陷,并且数值解局部代数精度高、计算量小。最后将该方法应用于求解飞行器对地打击轨迹规划最优控制问题,结果表明算法有效可行。     

Laguerre多项式的高阶矩量法在2维散射问题中的应用

为提高矩量法求解积分方程的精度,基于Laguerre多项式提出一种新型的高阶基函数法,将其应用于2维导体的电磁散射问题的求解.将计算结果与低阶矩量法和解析解进行比较可知:此高阶矩量法在较低的剖分情况下,具有较高的计算精度,表明该方法具有有效性和精确性.将此新型的高阶基函数法应用于电大导体散射目标时,其计算结果仍具有较高的精度.     

考虑延迟效应的交通流宏观流体力学模型

【目的】研究延迟效应的高阶宏观流体力学模型及其对交通流密度波产生的影响。【方法】通过宏观转化法将微观量转换成宏观量,推导出关于延迟效应的高阶动力学模型。同时结合交通流的守恒连续性方程,对新的动力学模型进行线性分析和非线性分析。用迎风格式数值模拟研究在不同延迟时间和密度下的交通流的成簇效应和系统的稳定性。【结果】推导出的模型具有各向异性的特性。在线性稳定性分析和非线性分析中分别推导出在微扰的条件下交通流的稳定性条件和描述密度波的KdV-Burgers方程,并求得密度波解。数值模拟结果表明考虑了延迟效应的模型系统不稳定状态范围在缩小。【结论】考虑了延迟效应的宏观流体力学模型,交通流成簇效应减弱。这表明交通流的拥堵得到抑制,有利于系统稳定。