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精细辛有限元方法及其相位误差研究
  • ISSN号:0459-1879
  • 期刊名称:力学学报
  • 时间:2016
  • 页码:399-405
  • 期号:02
  • 便笺:11-2062/O3
  • 分类:O241[理学—计算数学;理学—数学] O302[理学—力学]
  • 作者地址:上海交通大学机械与动力工程学院;上海交通大学数学系;上海第二工业大学理学院;
  • 作者机构:[1]上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240, [2]上海交通大学数学系,上海200240, [3]上海第二工业大学理学院,上海201209
  • 相关基金:国家自然科学基金(50876066); 上海第二工业大学校基金(EGD15XQD14),上海第二工业大学应用数学中点学科(XXKZD1304)资助项目; 上海高校青年教师培养资助计划(ZZZZEGD15007)
中文摘要:

哈密顿系统是一类重要的动力系统,针对哈密顿系统,设计出多类辛方法:SRK、SPRK、辛多步法、生成函数法等.长久以来数值方法在求解哈密顿系统过程中辛特性和保能量特性不能得到同时满足,近年来提出的有限元方法,对于线性系统具有保辛和保能量的优良特性.但是,以上方法都存在相位漂移(轨道偏离)现象,长时间仿真,计算效果会大打折扣.提出精细辛有限元方法 (HPD-FEM)求解哈密顿系统,该方法继承时间有限元方法求解哈密顿系统所具有的保哈密顿系统的辛结构和哈密顿函数守恒性的优良特性,同时,通过精细化时间步长极大地减小了时间有限元方法的相位误差.HPD-FEM相较与针对相位误差专门设计的计算格式FSJS、RKN以及SRPK方法具有更好的纠正效果,几乎达到机器精度,误差为O(10-13),同时,HPD-FEM克服了FSJS、RKN和SPRK方法不能保证哈密顿函数守恒的缺点.对于高低混频系统和刚性系统,常规算法很难在较大步长下,同时实现对高低频精确仿真,HPD-FEM通过精细计算时间步长,在大步长情况下,实现高低混频的精确仿真.HPD-FEM方法在计算过程中精细方法没有额外增加计算量,计算效率高.数值结果显示本文提出的方法切实有效.

英文摘要:

Hamiltonian system is one kind of important dynamical systems. Many kinds of symplectic methods were proposed for Hamiltonian systems, such as SRK, SPRK, multi-step method, generating function method and so on. The numerical methods for Hamiltonian can not be satisfied the character properties(symplectic and energy-preserving) at the same time. Recently, time finite element method was proposed for Hamiltonian systems, which was symplectic and could keep the conservation of energy. However, the mentioned methods have phase-drift(orbit deviation). For longtime simulation, the accuracy decay a lot. Precise Symplectic Time Finite Element Method is proposed for Hamiltoniansystems(HPD-FEM 全称?), which could keep the conservation of Hamiltonian function and the structure of symplectic of Hamiltonian systems, as finite element method does. Meanwhile, HPD-FEM can highly decrease the phase error compared to FEM. HPD-FEM has fewer phase-error than the determined schemes aimed at decreasing the phase drift,such as: FSJS, RKN, and SPRK. FSJS, RKN and SPRK cannot keep the Hamiltonian function of Hamiltonian system,while HPD-FEM can keep the energy conservation. For the systems with different frequencies or the stiff systems, HPDFEM can simulate the signals both high and low frequency, with big time step. During the computation, HPD-FEM does not increase the cost of computation. Numerical experiment shows the validity of HPD-FEM.

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期刊信息
  • 《力学学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国力学学会 中国科学院力学研究所
  • 主编:魏悦广
  • 地址:北京市海淀区北四环西路15号中科院力学所内《力学学报》
  • 邮编:100190
  • 邮箱:lxxb@cstam.org.cn
  • 电话:010-62536271
  • 国际标准刊号:ISSN:0459-1879
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2062/O3
  • 邮发代号:2-814
  • 获奖情况:
  • 1992年首届自然科技期刊一等奖,1996年国家自然科技期刊二等奖,2000年首届国家期刊奖
  • 国内外数据库收录:
  • 美国数学评论(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:13332