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Stability Analysis and Performance Evaluation of Additive Mixed-Precision Runge-Kutta Methods
1
作者 Ben Burnett Sigal Gottlieb Zachary J.Grant 《Communications on Applied Mathematics and Computation》 EI 2024年第1期705-738,共34页
Additive Runge-Kutta methods designed for preserving highly accurate solutions in mixed-precision computation were previously proposed and analyzed.These specially designed methods use reduced precision for the implic... Additive Runge-Kutta methods designed for preserving highly accurate solutions in mixed-precision computation were previously proposed and analyzed.These specially designed methods use reduced precision for the implicit computations and full precision for the explicit computations.In this work,we analyze the stability properties of these methods and their sensitivity to the low-precision rounding errors,and demonstrate their performance in terms of accuracy and efficiency.We develop codes in FORTRAN and Julia to solve nonlinear systems of ODEs and PDEs using the mixed-precision additive Runge-Kutta(MP-ARK)methods.The convergence,accuracy,and runtime of these methods are explored.We show that for a given level of accuracy,suitably chosen MP-ARK methods may provide significant reductions in runtime. 展开更多
关键词 Mixed precision runge-kutta methods Additive methods ACCURACY
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Stability and Time-Step Constraints of Implicit-Explicit Runge-Kutta Methods for the Linearized Korteweg-de Vries Equation
2
作者 Joseph Hunter Zheng Sun Yulong Xing 《Communications on Applied Mathematics and Computation》 EI 2024年第1期658-687,共30页
This paper provides a study on the stability and time-step constraints of solving the linearized Korteweg-de Vries(KdV)equation,using implicit-explicit(IMEX)Runge-Kutta(RK)time integration methods combined with either... This paper provides a study on the stability and time-step constraints of solving the linearized Korteweg-de Vries(KdV)equation,using implicit-explicit(IMEX)Runge-Kutta(RK)time integration methods combined with either finite difference(FD)or local discontinuous Galerkin(DG)spatial discretization.We analyze the stability of the fully discrete scheme,on a uniform mesh with periodic boundary conditions,using the Fourier method.For the linearized KdV equation,the IMEX schemes are stable under the standard Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)conditionτ≤λh.Here,λis the CFL number,τis the time-step size,and h is the spatial mesh size.We study several IMEX schemes and characterize their CFL number as a function ofθ=d/h^(2)with d being the dispersion coefficient,which leads to several interesting observations.We also investigate the asymptotic behaviors of the CFL number for sufficiently refined meshes and derive the necessary conditions for the asymptotic stability of the IMEX-RK methods.Some numerical experiments are provided in the paper to illustrate the performance of IMEX methods under different time-step constraints. 展开更多
关键词 Linearized Korteweg-de Vries(KdV)equation Implicit-explicit(IMEX)runge-kutta(RK)method STABILITY Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)condition Finite difference(FD)method Local discontinuous Galerkin(DG)method
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非线性控制系统的Runge-Kutta方法的输入状态稳定
3
作者 范振成 《闽江学院学报》 2024年第2期1-6,共6页
研究在什么条件下Runge-Kutta方法能够保持非线性控制系统的输入状态稳定。给出了Runge-Kutta方法生成的近似解保持控制系统真解的输入状态稳定的充分条件,特别证明了在一些常规条件下,所有Gauss-Legendre,Radau IA,Radau IIA,Lobatto I... 研究在什么条件下Runge-Kutta方法能够保持非线性控制系统的输入状态稳定。给出了Runge-Kutta方法生成的近似解保持控制系统真解的输入状态稳定的充分条件,特别证明了在一些常规条件下,所有Gauss-Legendre,Radau IA,Radau IIA,Lobatto IIIC型方法生成的近似解能够保持控制系统真解的输入状态稳定,这为实际应用中如何选择控制系统的数值方法问题奠定了理论基础。 展开更多
关键词 控制系统 runge-kutta方法 输入状态稳定
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含Caputo-Fabrizio分数阶算子的非线性刚性泛函微分方程Runge-Kutta方法的稳定性
4
作者 文立平 杨经纬 《湘潭大学学报(自然科学版)》 CAS 2023年第4期8-17,共10页
该文针对一类带有Caputo-Fabrizio分数阶算子的非线性刚性泛函微分方程初值问题,利用线性插值技巧离散Caputo-Fabrizio算子,结合求解常微分方程的数值方法,构造了求解该问题的Runge-Kutta方法,给出了在一定条件下方法的非线性稳定性结果.
关键词 非线性刚性泛函微分方程 Caputo-Fabrizio分数阶算子 runge-kutta方法 稳定性 代数稳定性
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Runge-Kutta型多尺度神经网络求解非定常偏微分方程
5
作者 陈泽斌 冯新龙 《新疆大学学报(自然科学版)(中英文)》 CAS 2023年第2期142-149,共8页
提出了基于Runge-Kutta的多尺度神经网络方法求解非定常偏微分方程.利用q阶Runge-Kutta构造时间迭代格式,通过建立多时间步的总损失函数,实现多时间步的神经网络参数共享,并预测时域内任意时刻的函数值.同时采用m-缩放因子加快损失函数... 提出了基于Runge-Kutta的多尺度神经网络方法求解非定常偏微分方程.利用q阶Runge-Kutta构造时间迭代格式,通过建立多时间步的总损失函数,实现多时间步的神经网络参数共享,并预测时域内任意时刻的函数值.同时采用m-缩放因子加快损失函数收敛,提高数值解精度.最后,给出了若干数值实验验证所提方法的有效性. 展开更多
关键词 非定常偏微分方程 q阶runge-kutta 多尺度神经网络 m-缩放因子 高精度
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基于NAD算子的三阶Runge-Kutta方法及波场模拟
6
作者 陈丽 张朝元 +1 位作者 朱兴文 李梦巧 《成都理工大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期122-128,共7页
为求解二维声波方程,本文结合空间高阶偏导数离散化的八阶NAD算子和时间导数离散化的三阶Runge-Kutta方法,推导出八阶NAD-RK算法。详细研究了八阶NAD-RK算法的计算效率和地震波数值模拟。结果显示:在达到相同精度下,八阶NAD-RK算法的内... 为求解二维声波方程,本文结合空间高阶偏导数离散化的八阶NAD算子和时间导数离散化的三阶Runge-Kutta方法,推导出八阶NAD-RK算法。详细研究了八阶NAD-RK算法的计算效率和地震波数值模拟。结果显示:在达到相同精度下,八阶NAD-RK算法的内存需求约为八阶LWC算法的20%,约为八阶SG算法的25%;八阶NAD-RK算法的计算速度约为八阶LWC算法的5.8倍,约为八阶SG算法的1.52倍。地震波数值模拟实验进一步验证八阶NAD-RK算法数值频散压制效果。 展开更多
关键词 声波方程 NAD算子 runge-kutta方法 计算效率 数值模拟
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求解二维声波方程的高精度Runge-Kutta方法
7
作者 陈丽 朱兴文 张朝元 《大理大学学报》 2023年第6期20-23,共4页
基于二维声波方程,结合八阶NAD算子离散空间高阶偏导数和三阶Runge-Kutta方法离散时间导数,发展了八阶NAD-RK算法。分析八阶NAD-RK算法的理论误差和数值误差,并详细推导了其稳定性条件。结果显示:同八阶Lax-Wendroff格式和八阶交错网格... 基于二维声波方程,结合八阶NAD算子离散空间高阶偏导数和三阶Runge-Kutta方法离散时间导数,发展了八阶NAD-RK算法。分析八阶NAD-RK算法的理论误差和数值误差,并详细推导了其稳定性条件。结果显示:同八阶Lax-Wendroff格式和八阶交错网格格式相比,八阶NAD-RK算法具有最小的数值误差。 展开更多
关键词 声波方程 NAD算子 runge-kutta方法 误差分析 稳定性条件
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基于Runge-Kutta法分析刚性平面附近空化气泡的动力学
8
作者 宣力文 梁金福 《兰州文理学院学报(自然科学版)》 2023年第3期40-44,共5页
用镜像空化泡等效替代刚性平面,得到超声场中刚性平面附近空化泡的动力学方程.运用Runge-Kutta法数值计算了该方程,并和自由声场中空化泡动力学方程的数值解进行对比分析.结果表明:刚性平面对空化气泡脉动具有抑制作用;气泡内的气体绝... 用镜像空化泡等效替代刚性平面,得到超声场中刚性平面附近空化泡的动力学方程.运用Runge-Kutta法数值计算了该方程,并和自由声场中空化泡动力学方程的数值解进行对比分析.结果表明:刚性平面对空化气泡脉动具有抑制作用;气泡内的气体绝热系数和液体粘度系数越小,气泡溃灭速度越大,对平面的作用也越大.研究结果有利于认识空化气泡对刚性壁面的作用机制. 展开更多
关键词 runge-kutta 镜像法 刚性平面 空化气泡
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数值方法中Runge-Kutta方法改进的探讨 被引量:6
9
作者 赵学杰 《衡水学院学报》 2014年第4期23-26,共4页
根据一阶常微分方程数值解的收敛性与稳定性,从固步长的Runge-Kutta法出发,考虑变步长的Runge-Kutta法,讨论了3种改进算法,即折半步长Runge-Kutta法、Runge-Kutta-Fehlberg法和Zadunaisky方法.并且分别讨论了3种变步长的Runge-Kutta法... 根据一阶常微分方程数值解的收敛性与稳定性,从固步长的Runge-Kutta法出发,考虑变步长的Runge-Kutta法,讨论了3种改进算法,即折半步长Runge-Kutta法、Runge-Kutta-Fehlberg法和Zadunaisky方法.并且分别讨论了3种变步长的Runge-Kutta法的精度及效率. 展开更多
关键词 数值解 runge-kutta 变步长的runge-kutta 自适应
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基于精细Runge-Kutta混合积分法的车桥耦合振动非迭代求解算法 被引量:11
10
作者 杜宪亭 夏禾 +2 位作者 张田 田园 曹艳梅 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2013年第13期39-42,55,共5页
针对结构非线性问题,采用4阶Runge-Kutta法展开精细积分法中响应状态方程的Duhamel项,构造了一种既可以避免迭代又具有较高精度的精细Runge-Kutta混合积分方法,在此基础上提出了适用于车桥耦合振动高效求解的分析框架。车桥耦合系统由... 针对结构非线性问题,采用4阶Runge-Kutta法展开精细积分法中响应状态方程的Duhamel项,构造了一种既可以避免迭代又具有较高精度的精细Runge-Kutta混合积分方法,在此基础上提出了适用于车桥耦合振动高效求解的分析框架。车桥耦合系统由车辆、桥梁子系统组成,均采用有限元建模,其中车辆子系统采用部件刚体假定,而桥梁子系统借助于振型叠加法缩减自由度数目;两个子系统内部非线性作用以及系统间的相互作用通过非线性的虚拟力表达。以一节4轴客车匀速通过32m简支梁为研究对象,分别采用分析框架法、Runge-Kutta法进行动力分析。数值结果对比表明:相对于Runge-Kutta法,精细Runge-Kutta混合法能够显著提高计算收敛的积分步长;分析框架可以应用到实际工程中。 展开更多
关键词 车桥系统 动力相互作用 精细积分法 runge-kutta 振型叠加法
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Symplectic partitioned Runge-Kutta method based onthe eighth-order nearly analytic discrete operator and its wavefield simulations 被引量:3
11
作者 张朝元 马啸 +1 位作者 杨磊 宋国杰 《Applied Geophysics》 SCIE CSCD 2014年第1期89-106,117,118,共20页
We propose a symplectic partitioned Runge-Kutta (SPRK) method with eighth-order spatial accuracy based on the extended Hamiltonian system of the acoustic waveequation. Known as the eighth-order NSPRK method, this te... We propose a symplectic partitioned Runge-Kutta (SPRK) method with eighth-order spatial accuracy based on the extended Hamiltonian system of the acoustic waveequation. Known as the eighth-order NSPRK method, this technique uses an eighth-orderaccurate nearly analytic discrete (NAD) operator to discretize high-order spatial differentialoperators and employs a second-order SPRK method to discretize temporal derivatives.The stability criteria and numerical dispersion relations of the eighth-order NSPRK methodare given by a semi-analytical method and are tested by numerical experiments. We alsoshow the differences of the numerical dispersions between the eighth-order NSPRK methodand conventional numerical methods such as the fourth-order NSPRK method, the eighth-order Lax-Wendroff correction (LWC) method and the eighth-order staggered-grid (SG)method. The result shows that the ability of the eighth-order NSPRK method to suppress thenumerical dispersion is obviously superior to that of the conventional numerical methods. Inthe same computational environment, to eliminate visible numerical dispersions, the eighth-order NSPRK is approximately 2.5 times faster than the fourth-order NSPRK and 3.4 timesfaster than the fourth-order SPRK, and the memory requirement is only approximately47.17% of the fourth-order NSPRK method and 49.41% of the fourth-order SPRK method,which indicates the highest computational efficiency. Modeling examples for the two-layermodels such as the heterogeneous and Marmousi models show that the wavefields generatedby the eighth-order NSPRK method are very clear with no visible numerical dispersion.These numerical experiments illustrate that the eighth-order NSPRK method can effectivelysuppress numerical dispersion when coarse grids are adopted. Therefore, this methodcan greatly decrease computer memory requirement and accelerate the forward modelingproductivity. In general, the eighth-order NSPRK method has tremendous potential value forseismic exploration and seismology research. 展开更多
关键词 SYMPLECTIC partitioned runge-kutta method NEARLY ANALYTIC DISCRETE OPERATOR Numerical dispersion Wavefield simulation
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辛Runge-Kutta方法在卫星交会对接中的非线性动力学应用研究 被引量:6
12
作者 李庆军 叶学华 +1 位作者 王博 王艳 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2014年第12期1299-1307,共9页
卫星交会对接问题是实现太空平台等空间系统的关键问题之一.考虑了由于地球引力作用而引起的卫星交会对接中的非线性动力学问题.首先,采用能量方法给出Lagrange函数;然后,通过引入广义坐标和广义动量,以及Legendre变换,得到Hamilton方程... 卫星交会对接问题是实现太空平台等空间系统的关键问题之一.考虑了由于地球引力作用而引起的卫星交会对接中的非线性动力学问题.首先,采用能量方法给出Lagrange函数;然后,通过引入广义坐标和广义动量,以及Legendre变换,得到Hamilton方程;随后,采用辛Runge-Kutta方法求解该Hamilton方程,并与传统的四阶Runge-Kutta方法对比.数值结果表明:辛Runge-Kutta方法能够在积分过程中长时间保持系统的固有特性,为天体动力学问题的研究提供了良好的数值方法. 展开更多
关键词 卫星空间交会对接 非线性动力学 HAMILTON系统 runge-kutta方法
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Runge-Kutta方法求解结构动力学方程 被引量:8
13
作者 吴志桥 高普云 任钧国 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第9期2085-2090,2105,共7页
将几种具有不同稳定性的Runge-Kutta方法应用到结构动力学方程的数值求解中。针对增量形式的动力学方程,使用改进的Newton-Raphson迭代,研究了减少计算量的两种方法:(1)使用单对角隐式Runge-Kutta方法,(2)应用转化矩阵。采用逼近算子的... 将几种具有不同稳定性的Runge-Kutta方法应用到结构动力学方程的数值求解中。针对增量形式的动力学方程,使用改进的Newton-Raphson迭代,研究了减少计算量的两种方法:(1)使用单对角隐式Runge-Kutta方法,(2)应用转化矩阵。采用逼近算子的谱半径分析了稳定性与数值阻尼特性,解释了L-稳定方法抑制高频振荡的原因。数值算例表明在精确解上较小的物理阻尼能有效的抑制高频振荡,但对各种直接积分方法的影响很小,高精度的L-稳定Runge-Kutta方法能在有效抑制高频振荡的同时高精度的求解低频振动。 展开更多
关键词 结构动力学方程 runge-kutta方法 数值阻尼 L-稳定性
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基于2级3阶单对角隐式Runge-Kutta法的电磁暂态计算方法 被引量:13
14
作者 杨萌 汪芳宗 《电力系统保护与控制》 EI CSCD 北大核心 2017年第6期68-73,共6页
在电力系统电磁暂态计算中,由于各种突变情况的发生,将导致数值计算中存在数值振荡。为有效解决电力系统电磁暂态计算中的数值振荡问题,将一种2级3阶单对角隐式Runge-Kutta法运用于电磁暂态数值计算中。由理论分析可知,该数值积分方法... 在电力系统电磁暂态计算中,由于各种突变情况的发生,将导致数值计算中存在数值振荡。为有效解决电力系统电磁暂态计算中的数值振荡问题,将一种2级3阶单对角隐式Runge-Kutta法运用于电磁暂态数值计算中。由理论分析可知,该数值积分方法具有非线性B-稳定性,即具有能量耗散性或非线性阻尼特性。算例结果表明,与现有的方法相比较,使用该方法进行电磁暂态计算,能够在不增加计算量的情况下,有效避免因突变情况导致的数值振荡。 展开更多
关键词 电磁暂态计算 数值积分方法 runge-kutta 数值振荡
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结构动力方程求解的改进精细Runge-Kutta方法 被引量:5
15
作者 张继锋 邓子辰 张凯 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2015年第4期378-385,共8页
在已有精细Runge-Kutta(龙格-库塔)方法的基础上,考虑了状态空间方程非齐次项的特点和外荷载的特殊性,提出了求解结构动力方程的改进精细Runge-Kutta方法.通过对矩阵进行分块计算,在利用原有精细Runge-Kutta方法高精度的同时进一步提高... 在已有精细Runge-Kutta(龙格-库塔)方法的基础上,考虑了状态空间方程非齐次项的特点和外荷载的特殊性,提出了求解结构动力方程的改进精细Runge-Kutta方法.通过对矩阵进行分块计算,在利用原有精细Runge-Kutta方法高精度的同时进一步提高了计算效率,有利于大型结构的长时间仿真.将改进精细Runge-Kutta方法应用于结构动力方程求解,为其求解提供一种新方法.数值算例表明了改进方法的正确性和有效性. 展开更多
关键词 结构动力方程 精细积分 简化计算 runge-kutta方法
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基于Runge-Kutta法和外推法的水库调洪演算 被引量:6
16
作者 黄朝煊 王正中 刘铨鸿 《人民黄河》 CAS 北大核心 2011年第7期42-44,共3页
为了解决数值解析法步长对水库调洪演算成果精度的影响问题,提出了R-K外推法,即采用精度更高的Runge-Kutta英格兰法与外推法相结合的方法,使计算精度达到甚至优于其他数值解法的精度,并采用拉格朗日插值法解决了实际最高水位一般不落在... 为了解决数值解析法步长对水库调洪演算成果精度的影响问题,提出了R-K外推法,即采用精度更高的Runge-Kutta英格兰法与外推法相结合的方法,使计算精度达到甚至优于其他数值解法的精度,并采用拉格朗日插值法解决了实际最高水位一般不落在离散解上的问题,得出精度更高的调洪演算成果。调洪演算实例表明该法可以满足工程实践的要求。 展开更多
关键词 调洪演算 拉格朗日法 runge-kutta 外推法
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超前型自变量分段连续型微分方程的Runge-Kutta方法的数值稳定性 被引量:6
17
作者 吕万金 宋迎春 《黑龙江大学自然科学学报》 CAS 北大核心 2010年第3期281-286,共6页
讨论一类特殊类型的超前型自变量分段连续型微分方程的解析解的稳定性,及应用Runge-Kutta方法于该方程所得数值解的稳定性。应用M.Z.Liu等在1990年证明的结果给出了N>2时解析解渐近稳定的充分条件;同时给出了N=2时解析解渐近稳定的... 讨论一类特殊类型的超前型自变量分段连续型微分方程的解析解的稳定性,及应用Runge-Kutta方法于该方程所得数值解的稳定性。应用M.Z.Liu等在1990年证明的结果给出了N>2时解析解渐近稳定的充分条件;同时给出了N=2时解析解渐近稳定的充要条件。利用Or-der-Star和Padé逼近理论,给出了当Runge-Kutta方法的稳定函数是ex的Padé逼近时数值解保持解析解渐近稳定的充分必要条件。 展开更多
关键词 分段连续 超前型 runge-kutta方法 稳定性
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基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法 被引量:5
18
作者 吴玉香 王鹏 《华南理工大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第10期121-128,共8页
针对传统的NURBS曲线加工过程中插补算法插补参数计算精度低、实时性不高以及加速度过大对机床造成的冲击大的问题,提出了基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法.该算法采用经典Runge-Kutta方法计算插补参数,基于弓高误差和法向... 针对传统的NURBS曲线加工过程中插补算法插补参数计算精度低、实时性不高以及加速度过大对机床造成的冲击大的问题,提出了基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法.该算法采用经典Runge-Kutta方法计算插补参数,基于弓高误差和法向加速度约束条件自动调整进给速度,根据进给步长预期值与实际值的偏差进行参数校正.由粗插补得到的离线数据寻找进给速度极值点,并对曲线进行前瞻分段,找到各前瞻插补区间上的首末速度敏感点.根据敏感速度与插补距离之间的关系重新进行加减速控制,避免速度急剧变化,从而满足机床的加减速性能要求.最后,通过Matlab仿真验证了算法的有效性. 展开更多
关键词 数控系统 NURBS曲线 runge-kutta 前瞻插补算法
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基于S-A湍流模型的Runge-Kutta有限元算法 被引量:3
19
作者 曹鹏程 廖绍凯 +1 位作者 张研 陈达 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期185-191,共7页
采用一方程S-A模型(Spalart-Allmaras模型)封闭雷诺时均N-S方程(RANS方程)进行湍流数值计算,可以减少方程求解数量,节约计算时间。本文对其进行了有限元数值算法研究,首先通过沿流线坐标变换,得到无对流项RANS方程,并引入三阶Runge-Kutt... 采用一方程S-A模型(Spalart-Allmaras模型)封闭雷诺时均N-S方程(RANS方程)进行湍流数值计算,可以减少方程求解数量,节约计算时间。本文对其进行了有限元数值算法研究,首先通过沿流线坐标变换,得到无对流项RANS方程,并引入三阶Runge-Kutta法对其进行时间离散;然后利用沿流线的Taylor展开解决坐标变换带来的网格更新的困难;最后采用Galerkin法进行空间离散,得到湍流模型的有限元算法。基于方柱绕流和覆冰输电线绕流模型,与试验结果进行对比,验证了该算法的有效性,与一阶数值算法相比,该算法在精度和收敛性方面更具优势。 展开更多
关键词 S-A方程 RANS方程 runge-kutta 有限元 方柱 覆冰输电线
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Runge-Kutta法求解弹性地基梁的数值方法及其在基坑施工分析中的应用 被引量:4
20
作者 谭新 丁万涛 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第z1期2328-2332,共5页
采用特殊处理的有限差分法求解弹性地基梁的挠曲方程,剪应力连续的区域用 Runge-Kutta 差分法离散,不连续的奇异点根据内力平衡条件建立传递矩阵.由于直接将要求的内力作为未知量,因而能处理复杂的边界条件,求解结果具有较高的精度.用... 采用特殊处理的有限差分法求解弹性地基梁的挠曲方程,剪应力连续的区域用 Runge-Kutta 差分法离散,不连续的奇异点根据内力平衡条件建立传递矩阵.由于直接将要求的内力作为未知量,因而能处理复杂的边界条件,求解结果具有较高的精度.用该方法对基坑施工的工程进行了数值模拟. 展开更多
关键词 土力学 弹性地基梁 runge-kutta 传递矩阵 基坑
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