初值奇异性非线性分数阶常微分方程的高阶数值方法

考虑非线性分数阶常微方程高阶格式的精确解具有初值奇异性,从而引入初值变量和逐块方法,再利用拉格朗日插值公式,提出一种新的高阶数值格式。该高阶数值格式为非光滑解条件下的5+α阶。

非线性分数阶常微分方程的一种新的高阶数值方法

首先利用分段三次插值公式构造了非线性Caputo分数阶常微分方程的高阶一致收敛的数值格式,其次给出了高阶一致收敛的数值格式的理论结果,最后利用数值实验验证了该数值格式的截断误差是4-θ阶。

高阶数值流形方法在结构静力分析中的应用研究

高阶流形法的主要难点在于,由于覆盖函数项数的显著增加,单元矩阵公式繁琐,其程序代码也大幅增加,而且单纯形积分要求被积函数能够表示成多项式,用手工推导和编程很难实现。针对此问题,提出应用Mathematica软件自动推导公式和生成程序代码的简便方法,并应用此项技术开发了高阶流形法的二维和三维静力分析程序,同时给出多个典型算例。研究结果表明:高阶流形法的确能提高位移和应力的计算精度,也具备反映应力集中和应力奇异性的能力,其计算精度受到覆盖函数的阶次和数学网格划分的双重影响。

基于适合分析T样条的高阶数值流形方法

数值流形方法是一种非常灵活的数值计算方法,连续体的有限单元方法和块体系统的非连续变形分析方法只是这一数值方法的特例.数值流形方法中高阶位移函数的构造可通过提高权函数的阶次来实现,这种方法往往需要沿单元边界配置适当的边内节点,这些结点的出现增加了前处理的复杂性,特别是对于大型复杂的空间问题.另一方面,在数值流形方法中可通过缩小单元尺寸(h加密)来提高求解精度.当模拟裂纹扩展时,这种细化策略可用来克服裂纹尖端的奇异性.一个传统的解决方案是细化整个网格,但这会导致计算效率的显著降低.将适合分析的T样条(analysis-suitable T-spline,AST)引入数值流形方法中来建立高阶数值流形方法的分析格式,有效的避免了该问题的出现.AST样条基函数具有线性无关,单位分解,局部加密等许多重要性质,使得其非常适合用于工程设计及分析.在引入AST样条后,可通过改变数学覆盖的构造形式建立不同阶次的数值流形方法分析格式;AST样条自身的局部加密性质也使得数值流形方法中的数学网格局部加密更容易实现.算例结果表明:随着AST样条基函数阶次的提高,数值流形方法的计算结果有了明显的改善;基于AST样条基函数的数值流形方法在保持计算精度的前提下降低了自由度的数量.

岩体黏弹性蠕变计算的高阶数值流形法研究

数值流形法(numerical manifold method)是一种新型的数值计算方法,已成功应用于岩土工程的诸多领域,但该方法尚未应用于岩土工程蠕变分析。近年来对高阶流形法的研究表明,对复杂的岩土工程问题,使用高阶覆盖函数可明显提高流形法的计算精度。为此,开展了用高阶流形法模拟蠕变的研究,在高阶流形法中引入"时步-初应变"法计算蠕变,以广义开尔文体为基础,推导了相关的计算公式,并编制了相应的计算程序,同时还通过算例,验证了方法的可行性和合理性。结果表明,高阶流形可以方便地与"时步-初应变"法结合用于蠕变计算,可较好地模拟蠕变变形。算例分析表明,在不改变网格密度情况下,仅通过采用高阶覆盖函数,高阶流形法可大幅提高传统流形法的计算精度。

一种高阶数值通量的探讨

参考MUSCL格式的构造思想,我们给出了一种高阶数值通量的构造方法。将高阶数值通量应用于有限体积(差分)ENO,WENO和DG等格式得到单步高阶Semi-Lagrangian格式。针对一维Euler方程组,本文在特征空间给出了一种新的特征线的处理方案,解决了Semi-Lagrangian方法难以推广到多维的难点。数值实验表明,新格式比原格式误差更小,效率更高,对激波的模拟效果也有较大提升。

一个新的求解粘弹性分数阶导数模型的高阶数值格式

构造了一个高阶数值格式快速求解粘弹性材料的振动问题。在时间上离散上主要采用有限差分法,利用二阶中心差分格式近似二阶导数,对于α阶导数构造了一个新的3-α阶数值格式,其中0<α<1。理论分析证明该格式近似解对精确解逼近的收敛阶为2阶,一系列的数值算例表明了理论分析的正确性。

一个新的求解分数阶方程的高阶数值格式

基于修正的Block-by-Block思想,直接离散分数阶导数构造了求解分数阶常微分方程一个高阶格式。区别于基于积分方程离散的Block-by-Block方法,该数值格式是针对分数阶导数直接进行离散。在每个子区间上,利用二次函数的导数逼近未知解的导数从而获得分数阶导数逼近的高阶数值格式。该格式具有3-α的收敛阶,其中0<α<1是分数阶导数的阶数。数值结果表明了理论的正确性。

Caputo型线性分数阶常微分方程的一种新的高阶数值方法

通过分段的三次插值公式近似Caputo型分数阶导数,从而构造了线性分数阶常微分方程的高阶数值格式,接着给出了构造的数值格式的截断局部误差估计,在最后部分我们举出数值算例证明理论分析的正确性。

求解非线性脉冲延迟微分方程的高阶数值方法

针对一类非线性脉冲延迟微分方程,首先将其转化为等价的积分方程,然后利用修正的block-by-block方法对其离散化,得到了求解问题的高阶数值方法.最后利用数学归纳法证明了该数值方法是4阶收敛的,数值试验的结果验证了所获理论的正确性.

阻尼梁振动方程的高阶数值格式

本文研究了带有阻尼项的四阶梁振动方程初边值问题,基于紧致差分方法,给出了数值求解该问题的四种高阶紧致差分格式.对方程中的一阶和二阶时间导数项采用中心差分离散,对四阶空间导数项分别采用五点、七点和带紧致的五点、七点四种方法进行离散,得到四种高阶紧致差分格式,这四种格式均在时间方向达到二阶精度,在空间方向分别达到二阶、四阶、四阶和六阶精度.最后利用数值算例验证了四种格式的精度阶与理论结果一致.本文相对于之前的研究,对弹性梁的振动增加了阻尼因素,因此也更加适合对实际问题的数值计算.

求解分数阶常微分方程的一个高阶数值逼近格式

对于分数阶常微分方程,我们通过直接离散的方法构造了一个高阶数值逼近格式。该数值方法是对分数阶导数直接进行离散。在每个小区间上,利用二次拉格朗日插值来进行逼近,从而获得分数阶导数逼近的高阶数值格式。该数值格式的收敛阶为3-α阶,其中0<α<1是分数阶导数的阶数。一系列的数值试验验证了理论预测的正确性。

时间分数阶扩散方程的一个新的高阶数值格式

研究时间分数阶扩散方程,利用时间方向的有限差分格式和空间方向的Legendre collocation谱方法构造了一个高阶稳定格式.一系列的数值试验表明该格式是稳定的,其收敛阶为O(△t^(3-α)+N^(-m)),这里α,△t,N和m分别为时间分数阶导数的阶数、时间步长、空间多项式逼近阶数和精确解的正则度.

高阶数值求积分公式的推导及应用

利用特殊插值方法和待定系数法推导了高阶数值求积分公式,并通过实际例子说明了它们在科学技术中的应用,也可用于有限元单元刚度矩阵的计算.

梁振动方程的高阶紧致数值格式

基于紧致差分方法,给出了数值求解梁振动方程的4类高阶有限差分格式,这些数值格式在时间方向具有四阶精度,空间方向上分别具有二阶、四阶和六阶精度。这些格式条件稳定,文章分析给出了这4类格式的稳定性条件。数值算例验证了这些格式的精度阶与理论结果一致;此外,数值算例还对长时间解的演化情况进行了数值模拟,结果显示,数值解与精确解吻合度良好。

带有Caputo-Fabrizio导数的分数阶微分方程的快速高阶算法的研究

对于数值求解常微分方程的传统方法而言,其计算量和存储量一般都是比较大的,为了解决这个问题,该文基于L2方案和一个简单的递归关系提出了一个快速高阶数值方法求解带有Caputo-Fabrizio导的分数阶微分方程,该算法在很大程度上减少了存储量和计算量,进一步的,该文分析了快速算法的可行性、误差估计和稳定性分析,并通过数值算例论证的所提方法的正确性.

对流方程解的高价数值格式

本文对经典对流方程的数值解建立了一个高阶数值格式。原理是在特征线脚所在网格的两个基点上建立5阶插值多项式,此多项式考虑了一阶导数的对流和两阶导数的嵌入,进而使数值格式的截断误差可达近6阶。理论分析和模拟单波对流输移验算结果表明,此格式比Holly-Preissmann方法具有更高的精度。

脉冲微分方程的一个修正block-by-block数值格式

本文利用修正的block-by-block方法针对脉冲微分方程构造了高阶数值格式.修正的block-by-block方法是传统的block-by-block方法的改进,其优点是除第一块外其余每块都能够解耦求解积分方程的高阶数值方法.首先,把脉冲微分方程等价转化为脉冲型积分方程,并利用修正的block-by-block方法进行离散,得到在两个相邻脉冲点中除第一块外其余每块都解耦的高阶数值格式.其次,利用离散的Grownwall不等式证明了数值解逼近精度为四阶.最后,一系列的数值算例验证了理论分析的正确性.

随机载荷下船海结构疲劳裂纹扩展寿命数值计算方法研究

采用有限元方法计算裂纹应力强度因子来预报船海结构的疲劳裂纹扩展是一种普遍认可的方法。由于需要根据裂纹尺寸不断更新有限元模型进行大量的计算,相当耗时,在某种程度上阻碍了该方法的广泛应用。本文针对变幅随机载荷,结合单一曲线模型提出了Cycle-by-Cycle(CBC)和数值计算方法(欧拉法、改进欧拉法、3阶龙格库塔法)相结合的计算格式。并分别应用在表面裂纹的疲劳裂纹扩展计算中,通过和常规CBC计算结果对比发现:随着步数增加,三种数值计算方法都可以达到较高精度;相比欧拉法,高阶计算方法的步长可以取得更大,而计算精度还可以更高。将该方法应用在一些需要有限元程序计算应力强度因子的复杂结构疲劳裂纹扩展中,可以有效减少裂纹更新次数,进而减少计算时间,提高计算效率。

一类面向高阶精度自适应流动计算的流场插值方法

网格自适应技术和高阶精度数值方法是提升计算流体力学复杂问题适应能力的有效技术途径.将这两项技术结合需要解决一系列技术难题,其中之一是高阶精度流场插值.针对高阶精度自适应流动计算,提出一类高精度流场插值方法,实现将前一迭代步网格中流场数值解插值到当前迭代步网格中,以延续前一迭代步中的计算状态.为实现流场插值过程中物理量守恒,该方法先计算新旧网格的重叠区域,然后将物理量从重叠区域的旧网格中转移到新网格中.为满足高阶精度要求,先采用k-exact最小二乘方法对旧网格上的数值解进行重构,获得描述物理量分布的高阶多项式,随后采用高阶精度高斯数值积分实现物理量精确地转移到新网格单元上.最后,通过一个具有精确解的数值算例和一个高阶精度自适应流动计算算例验证了本文算法的有效性.第一个算例结果表明当网格规模固定不变时,插值精度阶数越高,插值误差越小;第二个算例显示本文方法可以有效缩短高精度自适应流动计算的迭代收敛时间.