非均匀水流中非线性波传播的数值模拟

以一种考虑波流相互作用的新型{Boussinesq}型方程为控制方程组， 采用五阶{Runge}-{Kutta}-{England}格式离散时间积分，采用七点 差分格式离散空间导数，并通过采用恰当的出流边界条件，从而建立了非均匀水流中非线性 波传播的数值模拟模型. 通过对均匀水流与水深水域内和潜堤地形上存在弱流或强流时波浪 传播的数值模拟，说明模型能有效地反映水流对波浪传播的影响.     

不可压缩平面问题的位移-压力混合重心插值配点法

引入人工压力变量,将弹性本构方程以应力、应变和压力表达,建立求解不可压缩平面弹性问题的位移-压力方程和不可压缩条件方程的耦合偏微分方程组。利用张量积型重心Lagrange插值近似二元函数,得到计算插值节点处偏导数的偏微分矩阵。采用配点法离散不可压缩弹性控制方程,利用偏微分矩阵直接离散弹性力学控制方程为矩阵形式方程组。利用插值公式离散位移和应力边界条件,将离散边界条件与离散控制方程组合为新的方程组,得到求解弹性问题的过约束线性代数方程组;利用最小二乘法求解线性方程组,得到弹性力学问题位移数值解。数值算例验证了所提方法的数值计算精度为10-14~10-10。     

Timoshenko梁谐响应求解新方法探索

在空间域上采用只与结点有关的无网格方法离散,在时间域上采用精细积分方法求 解. 无网格离散过程中,利用伽辽金积分等效弱形式代替微分形式的控制方程,并 用修正变分原理满足位移边界条件,采用移动最小二乘法求解离散的形函数,把形 函数代入等效积分弱形式得到离散的二阶方程;精细积分过程中非齐次项采 用Romberg积分. 同时给出了两种不同边界条件的谐响 应求解的两个数值算例,得到了精确的数值结果.     

一种求解双曲方程新的有限差分算法

本文提出一种适于求解一阶双向系统的新的差分格式。它的建立方法是：将所要求解的方程与解的空间导数所满足的微分方程同时离散化，然后再通过插值函数构成封闭的离散变量代数方程。在线性情况下的误差分析表明：该格式的幅值与位相误差均小于常用的一、二阶差分格式；当其应用于非线性气动方程求解时，基本上可以消除数值扩散与振荡这两种非正常现象。     

一种求解双曲方程新有有限差分算法

本文提出一种适于求解一阶双曲系统的新的差分格式。它的建立方法是：将所要求解的方程与解的空间导数所满足的微分方程同时离散化，然后再通过插值函数构成封闭的离散变量代数方程。在线性情况下的误差分析表明：该格式的幅值与位相误差均小于常用的一，二阶差分格式，当其应于非线性气动方程求解时，基本上可以消除数值扩散与振荡这两种非正常现象。     

对流扩散方程QUICK格式的数值摄动高精度重构格式

利用高智提出的数值摄动算法, 把对流扩散方程的常用QUICK格式(黏性和对流项分别用二阶中心和QUICK格式离散)进行了高精度重构, 包括利用离散单元内所有结点的全域重构和分别利用离散单元内上下游结点的上下游重构, 得到两类新的更高阶精度的数值摄动重构格式, 称为高的QUICK格式(G-QUICK格式). G-QUICK格式与QUICK格式相比简单性相当, 但精度更高; 全域重构G-QUICK格式和QUICK格式均为条件稳定, 上下游重构得到一些绝对稳定的G-QUICK格式. 解析分析和数值算例均证实了G-QUICK格式的优良性能, 上下游重构的G-QUICK格式为在对流扩散方程的QUICK格式中避免使用人工黏性提供了新途径.      

对流扩散方程的绝对稳定高阶中心差分格式

将作者提出的数值摄动算法改进为区分离散单元内上游和下游并分别对通量进行高精度重构的双重数值摄动算法,与原(单重)摄动算法相比,双重摄动算法既提高了格式精度又明显扩大了格式的稳定域范围.利用双重摄动算法,即分别利用上游和下游基点变量的摄动重构将高阶流体力学关系及迎风机制耦合进二阶中心格式之中,由此构建了对流扩散方程的对网格Reynolds数的任意值均稳定(绝对稳定)高精度(四阶和八阶精度)三基点中心TVD差分格式,通过解析分析以及3个算例计算证实了构建格式的优良性能;3个算例包括一维线性、非线性(Burgers方程)和二维变系数对流扩散方程.数值计算表明:构建的格式在粗网格下不振荡,构建格式在粗网格时的最大误差L_∞和均方误差L_2与二阶中心格式在细网格时的相应误差一致,对线性方程,构建格式在细网格下可达到L_2精度阶.     

求解二维污染扩散方程的时空任意阶的三点紧致显格式

通过在泰勒级数展开中运用逐阶迭代的方法,推导出了空间二阶导数任意精度的三点紧致的表达式,并在半高散方程中通过二维扩散方程本身把时间导数转换为空间导数,从而推导出了时空任意阶的三点紧致显格式.数值实验表明,本文格式的精度很高,而且具有使用简单,易于编程的优点,对求解二维污染扩散方程具有很好的应用前景.     

亚、跨、超音速及不可压流动的数值分析方法的研究

为了对亚、跨、超音速及不可压无粘流动进行数值模拟,将LU－SGS方法与预处理方法结合,给出了PLU－SGS方法。方程离散基于有限体积法,采用高阶精度AUSMPW格式。方程求解采用了特征边界条件。通过典型算例的数值试验对比分析,表明PLU－SGS方法可以有效地对亚、跨、超音速及不可压流动进行数值模拟,并具有较高的计算精度和收敛速度。     

一维Burgers方程的各种差分格式研究

本文对Burgers方程,一维流体力学动量方程的模型方程,进行了数值实验研究。本文以两类精确解(一类表示定常拟的“激波”解,一类表示非定常的粘性耗散解)为基准。在给定的完全精确的边界条件下,专门探讨各种常用和重要差分格式的优劣。(包括精度、稳定性、计算时间等)。 本文共采用了八种格式(包括Cheng—Allen、修正Cheng格式、MacCormack、分裂格式等)对两类初、边值问题进行了计算和比较。主要的结果是: ①对非定常的粘性耗散问题,采用隐式分裂格式在精度和稳定性方面是各类格式中最好的。 ②对于具有拟“激波”样的定常问题,Cheng的修正格式2具有振幅很小、振动衰减很快的优点,它是各种格式中最佳的。 ③对Mac Cormack格式31,它可以用来算定常和非定常问题,但稳定性很差,要得到好的精度对Re数范围有一定的限制。 ④对于计算含有“激波”的流动,看来差分格式的守恒性是很重要的。 ⑤对像Burgers方程那样的非线性方程,看来Von Neumann的线化稳定性分析仍然是适用的。     

基于激光超声场检测的材料常数测量方法

由于采用干涉仪的激光超声技术造价较高,对环境噪声极为敏感,很难在工业中得到广泛应用,为此开发了基于压电传感器的激光超声场检测仪(LUFT)。该系统采用激光激发、压电传感接收的方式,既保留了激光高分辨率的优势,又兼具了系统造价低、使用方便的特点。本文中,利用该检测仪对标准钢试样及不同厚度的铝试样进行了测量,获得其表面波和纵波波速,并根据固体力学理论得到铝的泊松比和杨氏模量。计算结果与文献参考值误差较小,说明该方法的可行性,也说明了该激光超声场检测仪的可靠性。     

残损航空器搬移拖车悬臂的拓扑优化

首先,采用导重准则法对在固定载荷下以位移为约束的拓扑优化问题进行计算,运用一种新的插值模型推导了在单工况作用下的最小质量拓扑优化迭代算法,并通过一个算例验证了该算法的可行性。然后,将该算法应用于残损航空器搬移拖车悬臂的拓扑优化设计中,将由此获得的悬臂的拓扑形貌与结构优化软件Optistruct得到的拓扑结果进行对比。结果表明,二者的迭代速度差别不大,且导重准则法的优化效果更好。作为概念设计,所得的拓扑形貌为以后悬臂结构的优化设计提供了有效参考。     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

钱令希教授发现的梁与拱结构响应函数族关系矩阵

阐发了钱令希教授《梁与拱结构函数分布图与感应图之间的连锁关系》一文的学术思想,指出从本质上看,结构响应函数族关系矩阵是材料力学的三函数关系的横向拓展和向梁与拱结构的提升。可见,钱令希教授的工作是力学领域独特的基础研究之一。此外,还介绍了(1)采用Green函数法求解了钱教授没有研究的在梁上分布载荷的情况。(2)作者及其团队首次把这一工作写进了《材料力学》教科书中。(3)给出了应用本文方法的两个例题。     

The boundary integral equation method for the solution of wave-obstacle interaction

The boundary integral equation method constitutes the basis of a number of computer programs used for the solution of wave-obstacle interaction problems. For the case of obstacles in a constant depth fluid, the method assumes that the velocity potential at any point in the fluid may be represented by a distribution of Green's function sources over the immersed surface of the obstacle. Application of the obstacle kinematic boundary condition gives rise to an integral equation which may be solved, using numerical discretization, for the unknown source strength distribution function. Subsequent evaluation of the discretized velocity potential permits evaluation of the hydrodynamic interaction parameters. A series of numerical solutions have been carried out for a range of substantially rectangular obstacles, in a two-dimensional domain, using varying levels of immersed profile discretization. The results, presented in the form of fixed and floating mode wave reflection and transmission, together with the motion response of the floating obstacle, demonstrate the significant sensitivity of the evaluated parameters to variations in the level of discretization.     

Roe linearization for the Euler equations augmented by the convective terms from the k–ω turbulence model

This paper describes the method of calculation of the eigenvalues, eigenvectors of the Jacobian matrix of the Euler equations augmented by the convective part of k–ω turbulence model. The equations are 3D and values are expressed in terms of cell normals of a finite volume. The expressions for wave strengths are also found, which are also necessary to calculate the inter‐cell fluxes for Roe's scheme. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Solutions of Green's function for Lamb's problem of a two-phase saturated medium

The solutions of Green's function are significant for simplification of problem on a two-phase saturated medium. Using transformation of axisymmetric cylindrical coordinate and Sommerfeld's integral, superposition of the influence field on a free surface, authors obtained the solutions of a two-phase saturated medium subjected to a concentrated force on the semi-space.     

A robotic model for Codman's paradox simulation and interpretation

A robotic approach based on Denavit–Hartenberg parametrization is proposed for simulating and interpreting Codman's paradox. A 3-degree-of-freedom robot model of the glenohumeral joint, driving the arm reduced to its long humerus, is considered for simulating the two-step rotational sequence of Codman's paradox. We propose to use the classical distinction made in robotics between the joint space, i.e. the inner space of joint angles, and the operational space, i.e. the outer physical space, for interpreting this historical version of the paradox, as there is some kind of confusion between these two spaces to be considered for arm movement definition. In its extended form, developed by MacConnail, the three-step rotational sequence of Codman's paradox would highlight the motor redundancy of the shoulder joint, necessitating for its simulation, according to our robotic approach, a 4-axis model of the shoulder spheroid joint. Our model provides a general prediction of the conjunct rotation angle in full accordance with clinical observation for a two-step or three-step version of Codman's paradox. The relation of the paradox with a possible general law of motion is finally discussed.     

Numerical solution of the generalized Serre equations with the MacCormack finite-difference scheme

This paper describes a two-dimensional numerical model to solve the generalized Serre equations. In order to solve the system equations, written in the conservative form, we use an explicit finite-difference method based on the MacCormack time-splitting scheme. The numerical method and the computational model are validated by comparing one- and two-dimensional numerical solutions with theoretical and experimental results. Finally, the two-dimensional model (in a horizontal plane) is tested in a domain with complicated boundary conditions.