基于直接概率积分法的水下航行器随机动力响应高效分析

海洋是人类的资源宝库,随着海洋资源的不断发掘,海洋资源的探测与合理开发成为了当今世界各国广泛关注的热点,水下航行器的勘测活动也随之逐渐增多.然而,海洋环境具有极强的随机不确定性,给水下航行器的操作及轨迹规划带来了巨大影响.因此,准确预测随机海洋环境中水下航行器的随机响应特性具有重要意义.以无舵桨的新型水下航行器为研究对象,基于概率守恒原理,从随机积分的全新视角,建立了随机海洋环境中水下航行器的概率密度积分方程.在此基础上,提出了一种基于分块并行计算的直接概率积分法,该方法将水下航行器系统的控制方程与概率密度积分方程解耦,通过分块并行计算,实现了随机波浪激励下新型水下航行器的随机动力响应高效分析.此外,还将提出方法的计算结果与原直接概率积分法及蒙特卡洛模拟方法的计算结果进行了比较,进一步验证了提出方法的精确性和高效性.最终研究结果表明,海浪的有义波高和流动速度是影响水下航行器响应的主要随机因素.海浪有义波高和流动速度的增加会造成水下航行器偏离预定轨迹的概率显著提高.此外,较大的海浪流动速度还会引发随机跳跃现象,从而降低水下航行器的航行安全性.

课程-迁移学习物理信息神经网络用于长时间非线性波传播模拟

由于传统物理信息神经网络(PINN)在长时间模拟时存在计算稳定性差甚至无法获得有效解的难题,文章提出了一种基于课程学习和迁移学习的物理信息神经网络(CTL-PINN),用于长时间非线性波传播模拟.该改进的PINN的主要思想是将原长时间历程问题转化成若干个短时间子问题,其求解过程分为3个阶段;在初始阶段,使用传统PINN来获得初始短期子问题的解;在课程学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域扩大的方式逐次求解,在迁移学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域迁移的方式逐次求解.这种改进的PINN可以避免传统PINN陷入局部最优解的问题.最后通过几个基准算例验证了本文所提出的CTL-PINN方法在模拟长时间非线性波传播过程的有效性和鲁棒性.

基于物理信息的神经网络求解曲面上对流扩散方程

引入基于物理信息的神经网络PINNs(Physics-informed Neural Networks)并将其用于求解曲面对流扩散方程。区别于传统的神经网络模型,PINNs在建立模型过程中引入了自动微分技术,并将物理信息即偏微分方程信息编译其中,通过定义损失函数得到关于该模型中神经网络参数即权重和偏置的优化目标,随后利用已有的优化算法进行求解。显而易见,PINNs通过添加额外的物理信息约束放宽了对于数据量的要求,对于一个确定性模型显示出更好的鲁棒性。本文基于曲面微分算子与欧氏空间下标准微分算子的解析关系,引入两种曲面微分算子处理技术,即非本征技术和嵌入技术,并结合PINNs针对定义在高维复杂曲面上的对流扩散方程进行求解,多个数值算例证明了该方法的有效性、鲁棒性以及其在求解此类问题的潜力。

物理信息依赖核函数配点法的研究进展

在过去几十年里,尽管有限元等传统计算方法已被成功用于众多科学与工程领域,但是其在数值模拟无限域波传播、大尺寸比结构、工程反演和移动边界问题时仍面临计算量大、计算效率低、网格生成困难等计算难题.本文介绍一类基于物理信息依赖核函数的无网格配点法及其在上述难点问题中的应用.物理信息依赖核函数配点法的关键在于构建能反映问题微分控制方程物理信息的基函数.基于这些物理信息依赖核函数,该方法无需/仅需少量配点对所求微分控制方程进行离散,即可有效提高计算效率.本文首先介绍满足常见齐次微分方程的基本解、调和函数、径向Trefftz函数以及T完备函数等典型物理信息依赖核函数.接着依次介绍非齐次、非均质、非稳态以及隐式微分方程构造物理信息依赖核函数的方法.随后,根据所求问题特点,选用全域配点或局部配点技术,建立相应的物理信息依赖核函数配点法.最后,通过几个典型算例验证所提物理信息依赖核函数配点法的有效性.

边界节点法计算二维瞬态热传导问题

采用边界节点法(BKM)结合双重互易法(DRM)求解二维瞬态热传导问题.采用差分格式处理时间变量,可将原瞬态热传导方程转化为一系列非齐次修正的Helmholtz方程.随后,方程的解可分为特解和齐次解两部分计算,引入双重互易法在区域内部配点求解方程的特解,采用边界节点法仅需边界配点求解方程的齐次解.给出的数值算例显示该方法计算精度高,适用性好,具有很好的稳定性和收敛性,适合求解瞬态热传导问题.

基于时间依赖基本解的奇异边界法模拟二维狄利克雷边界标量波方程

奇异边界法是一个半解析边界配点强格式方法,具有无数值积分和无网格、编程容易以及数学简单等优点。本文首次将时间依赖基本解运用于奇异边界法,计算模拟二维标量波方程;结合确定源点强度因子的反插值技术,提出了二维狄利克雷边界标量波方程源点强度因子的一个经验公式;引进了解决波方程基本解G奇异性的一种无奇异积分处理方法。数值实验证明,基于时间依赖基本解的奇异边界法可精确高效地模拟二维狄利克雷边界标量波方程,在计算效率、精度、稳定性和适应性等方面有明显优势。

用边界粒子法求解柯西反问题的数值计算软件包

为推动无网格方法在反问题中的应用及相关计算软件的发展,介绍基于MATLAB开发的用边界粒子法(Boundary Particle Method,BPM)数值模拟柯西反问题的计算软件包;描述数值算法的理论基础,并结合标准算例介绍软件包的基本功能和使用方法.该软件包可求解含不同形式源项(多项式函数、三角函数、指数函数及其耦合函数等)的椭圆型偏微分方程,并且可用于处理任意几何区域问题.本软件包具有简单易用的图形用户界面,在数值模拟柯西反问题时仅需边界测量数据,且效率高、精度高.

边界粒子法结合正则化技术求解Robin反问题

运用一种边界型无网格算法——边界粒子法求解Robin反问题,结合Tikhonov正则化技术消除反问题的不适定性。该方法仅需边界测量数据,计算精度高,特别适用于反问题的求解。数值算例显示该方法在求解Robin反问题上具有很好的稳定性和收敛性。

含肿瘤皮肤组织传热分析的广义有限差分法

生物传热分析在低温外科手术、肿瘤热疗、病热诊断等临床医学治疗和诊断中有着广泛的应用.由于健康皮肤组织内肿瘤的存在使得肿瘤附近区域的温度会明显升高,这一特性常被用于检测皮肤组织内的肿瘤生长,因此有必要开展生物传热数值分析的研究.本文以含肿瘤的皮肤组织为研究对象,将一种新型区域型无网格配点法——广义有限差分法应用于能描述含肿瘤皮肤组织传热过程的Pennes方程求解.广义有限差分法利用泰勒展开式与移动最小二乘法将计算区域内的每个离散点上的物理量导数表示成其与邻近点物理量及权重系数的线性组合,进而构建得到仅含各离散点未知物理量的线性方程组.该方法不仅具有无需划分网格、避免数值积分等无网格配点法的优点,同时还克服了大多数无网格配点法中插值矩阵高度病态的问题,为此类方法在大规模工程数值计算中的应用提供了可能性.本文首先介绍了模拟含肿瘤皮肤组织传热过程的广义有限差分法离散模型,随后通过不含肿瘤与含规则形状肿瘤的基准算例,检验广义有限差分法的计算精度与收敛性;在此基础上,通过数值模拟研究不同肿瘤形状及肿瘤位置分布对皮肤组织内温度分布的影响.

奇异边界法求解多连通域的瞬态热传导问题

提出一种基于奇异边界法结合双重互易法的数值模型来求解瞬态热传导问题。奇异边界法属于配点型边界无网格方法,相对于网格方法,其具有无需划分网格,只需边界配点的优势。运用差分格式来处理热传导方程中的时间变量,将原热传导方程化为非齐次修正Helmholtz方程。修正Helmholtz方程的解由齐次解和特解两部分组成,齐次解通过奇异边界法求出,特解由双重互易法求出,源项由径向基函数近似。通过数值算例检验了本文数值模型的精度及有效性;算例结果表明,该数值模型计算精度较高,误差基本都在1%以内,具有很好的稳定性,能有效地应用于求解多连通域的瞬态热传导问题。

功能梯度碳纳米管增强复合材料板弯曲和模态的广义有限差分法

由复合材料构成的板结构一直以来受到很大关注,其中功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite, FG-CNTRC)具有异常优越的力学性能,使得诸多学者展开了对功能梯度碳纳米管增强复合材料板结构力学行为的研究.本文以FG-CNTRC板为研究对象,将一种新型的区域型无网格方法——广义有限差分法应用于求解基于一阶剪切变形的FG-CNTRC板结构的静态线性弯曲和自振模态问题.广义有限差分法(generalized finite difference method, GFDM)基于函数的泰勒展开式和移动最小二乘法将计算区域中任意一子区域中心点处函数值的各阶偏导数表示成该支撑域节点上函数值的线性叠加.该方法不仅无需网格划分和数值积分而且避免了全域无网格配点法通常遇到的病态稠密矩阵问题,使得这类方法具有形式简单、易于应用和实现等优点,目前广泛应用于各种科学和工程计算问题.本文首先介绍了基于一阶剪切变形理论的功能梯度碳纳米管增强复合材料板的广义有限差分法离散模型.随后通过基准算例,检验了广义有限差分法的计算精度与收敛性.最后数值分析和讨论了碳纳米管中不同分布型、体积分数、碳纳米管旋转角度、宽厚比、板倾斜角度和长宽比等对FG-CNTRC板结构弯曲和模态的影响.

水槽动力特性数值模拟的新型局部无网格配点法

局部边界节点法是一种基于非奇异半解析基函数和移动最小二乘原理的新型无网格配点技术,该方法把每个节点处的未知变量表示为该点对应的局部子域内节点处物理量的线性组合,该文基于局部边界节点法对数值波浪水槽进行了研究.首先,通过基准算例确定了Laplace算子非奇异半解析基函数的合理形状参数值.进一步,基于合理的参数选取,用较少的离散节点即可成功模拟波浪传播行为,将得到的数值结果与其他文献数值结果比较,可以发现局部边界节点法用更少的局部点即可得到较好的数值结果.最后,以保护近海岸建筑物为目标,模拟了水下防波堤对波浪传播的影响.结果表明,当波浪与梯形防波堤发生作用后,波峰变得比较陡峭,而波谷变得相对比较平坦,为近海岸防波堤的相关研究和设计提供了数值参考.

基于结合扩展精度技术的基本解方法的非线性功能梯度材料热传导问题求解

采用基本解方法结合扩展精度技术和Kirchhoff变换求解功能梯度材料的二维热传导问题.在求解瞬态热传导问题时运用Laplace变换处理时间变量,将时域问题转化为频域问题求解;采用基本解方法计算得到高精度的频域数值解,再分别采用Stehfest和Talbot这2种数值Laplace逆变换恢复原瞬态热传导问题的计算结果.通过3个非线性功能梯度材料的稳态和瞬态热传导基准算例,分析结合扩展精度技术的基本解方法的计算精度与扩展精度位数、边界布点数和虚拟边界参数三者之间的关系.比较Stehfest和Talbot这2种数值Laplace逆变换算法的优劣.采用结合扩展精度技术的基本解方法数值研究热传导系数随位置剧烈变化的功能梯度材料热传导行为.数值结果表明该方法具有求解精度高、适用性好等特点,能高效模拟非线性功能梯度材料的二维稳态与瞬态热传导行为.

世界一流大学跨学科研究模式探析--以加州大学伯克利分校为例

跨学科研究是世界一流大学高水平创新的重要形式。文章介绍了国内外有关跨学科研究的基本概念,分析了我国高校开展跨学科研究所面临的挑战,指出了科学的组织模式是突破发展瓶颈的关键。文章选取加州大学伯克利分校为例,全面介绍该校跨学科研究的组织模式,特别是涉及体制机制、平台构建与运行方式,为我国高校提供经验启示,以实现教学、科研、国际合作在跨学科领域的融合发展。

一种局部无网格配点法在功能梯度材料板上的应用

针对基于1阶剪切变形理论和Hamilton原理的功能梯度材料(functionally graded material,FGM)板微分控制方程,验证将广义有限差分法(generalized finite difference method,GFDM)用于FGM板弯曲行为数值计算的有效性,利用GFDM对物理域进行离散布点、无须网格划分的优点,对离散域生成稀疏插值矩阵。以Ansys软件分析结果作为参考解,选择3个基准算例进行对比,结果表明GFDM可以有效求解FGM中厚板弯曲问题,并且避免处理传统无网格配点法中常见的病态稠密矩阵,精度满足工程要求。

广义有限差分法求解Kirchhoff和Winkler薄板弯曲问题

论文将广义有限差分法用于数值计算Kirchhoff板和Winkler板的弯曲问题.广义有限差分法是基于最小二乘原理的一种区域型无网格方法.相比于传统的网格类数值解法,广义有限差分法无需网格生成且无需数值积分.通过数值实验结果表明,广义有限差分法可以有效地求解两类薄板在不同横向荷载作用下的弯曲问题.

基于浅海环境潜器振动的水下声辐射计算模型研究进展

海洋环境中水下潜器振动与声学行为的准确预测是潜艇声隐身技术和海洋水声探测技术的研究基础.在浅海水声信道环境中,水下潜器的振动与声学性能不仅涉及固体、流体和声场的耦合作用,还会被海面与海底的反射作用,以及海水声速的不均匀分布所影响.为了准确表征浅海环境对潜器振动声学特性的影响,国内外研究者提出了有限元法、有限元-抛物方程法、有限元-简正波法、有限元-边界元法、有限元-波叠加法和有限元-奇异边界法等数值计算模型用于振动与声学领域的研究.本文聚焦中低频段振动声学分析的确定性计算模型,讨论了数值计算模型的两种不同分析模式:湿模态分析模式和干模态分析模式,并从水声传播模型和数值算法两方面评述了浅海环境中水下潜器振动与声学计算模型的发展和应用现状.现有的大部分计算模型都只考虑水平海面和海底的浅海环境,在未来的发展中需要拓展计算模型的适用范围,提高数值算法的计算效率,发展出适用于典型和复杂浅海环境分析的高性能计算模型,为海洋环境中水下潜器的振动声学行为快速预报提供技术支撑.

双材料界面裂纹的改进广义有限差分法

采用数值方法进行断裂力学分析时,裂纹尖端奇异区域处理的好坏直接关系到最终断裂力学参数的求解精度.与传统均匀介质不同,复合材料界面裂纹渐近位移和应力场表现出剧烈的振荡特性,许多用于表征经典的平方根和负平方根物理场渐近性的传统方法也因此失效.论文提出了一种改进的广义有限差分法,该方法基于多元函数泰勒级数展开和移动最小二乘法的思想,将节点变量的各阶导数由相邻点集函数的加权线性累加来近似,具有无网格、无数值积分、数据准备简单、稀疏矩阵快速求解等优点.为提高该方法求解断裂力学问题的计算精度和数值稳定性,论文引入了裂尖奇异区域局部点簇的自动创建技术和一种基于局部点簇几何尺寸的矩阵正则化算法.数值算例表明,所提算法稳定,效率高,在不增加计算量的前提下,显著提高了裂尖近场力学参量和断裂力学参数的求解精度和数值稳定性.

局部配点法及其应用

本文总结了局部配点法的各种离散格式及工程应用.首先介绍了局部配点法(LCMs)的基本概念,如逼近理论、半解析配点法和局部化策略.基于这些基本概念,介绍了局部径向基函数配点法(LRBFCM)和广义有限差分法(GFDM)、局部基本解法(LMFS)、局部径向Trefftz配点法(LRTCM),局部Trefftz配点法(LCTM).随后引入了一些诸如如广义互易法(GRM)、拉普拉斯/傅里叶变换、Krylov延迟校正法等技术,使得上述局部配点法能用于基于非均质、各向异性和瞬态偏微分方程的大规模工程和科学计算.通过几个典型的基准算例,展示了局部配点法求解边值问题的最新研究进展和应用,如数值波浪水槽、基于电位势的反向肌电图生成、波传播分析和声子晶体波传播特性、弹性力学和面内裂纹,各向异性材料热传导和非线性Burgers方程等.最后给出局部配点法的一些研究结论及未来展望.