非线性振动第1章 Ritz-Galerkin法
更新时间:2023-08-31 14:42:01 阅读量: 教育文库 文档下载
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1.9 Ritz-Galerkin法伽辽金法基本思想:伽辽金法是一种变分方法,亦称 伽辽金法基本思想 里兹(Ritz)平均法。基本思想是假设一含待定系数 的近似解,代入控制方程后产生偏差(残值),为使 偏差最小,用一权函数(变分)乘以该偏差,并使其 在一周期内积分为零。从而得到确定待定系数的代数 方程组,解此方程组求出待定系数,即得所求近似解。
自治系统
+ f ( x ) = 0 x 看成静力平衡方程 表示惯性力 表示转动力和约束反力
ω
为待求的圆频率
+ f ( x ) = 0 x x f (x) 由虚位移原理: 由虚位移原理:
[ + f ( x )] δ x = 0 x
设解
x ( t ) = ∑ ai wi ( t )i =1
N
代入原方程,由于近似解一般不会刚好等于真解, 所以会产生不等于零的残值 N & & R(ai ) = ∑ ai wi + f ∑ ai wi ≠ 0 i =1 i =1 N
近似解的变分δ x = ∑ wi ( t )δ aii =1 N
为使偏差最小,取这个残值与近似解的变分的乘积,在 一周期内积分(也即使偏差在一个周期内平均分布)为零:
∫
T
0
R ( ai ) δ xdt = 0T 0
∑∫i =1
N
N & & ∑ ai wi + i =1
N f ∑ ai wi wiδ ai dt = 0 i =1
由于δ ai 任意,则:
∫
T
0
N & & ∑ ai wi + i =1
N f ∑ ai wi wi dt = 0 i =1
i=0,1,2...
解此代数方程组,求出N个待定系数 ai ,代回原方程即得近似解
例1 Duffing方程的周期 方程的周期
+ bx + cx x
3
f ( x ) = bx + cx
= 03
设 x = a1 1 (t ) = a1 cos ωt = a1 cos T
∫ [∑0
n
i =1
a i i ( t ) + f ( ∑ a i i ( t ) )] j ( t ) dt = 0i =1 T
n
j = 1, 2 ,
∫ [a0
1
1 ( t ) + f [ a 1 1 ( t ))] 1 ( t ) dt = 0
T
[ a 1ω 2 co s ω t + b a 1 co s ω t + c ( a 1 co s ω t ) 3 ] co s ω td t = 0 ∫0
T
[ a1ω 2 cos pt + ba1 cos ω t + c ( a1 cos ω t ) 3 ] cos ω tdt = 0 ∫0 T
a 1 ( b ω 2 ) co s ω t + ca 1 3 co s 3 ω t ] co s ω td t = 0 ∫0
ωt = φ2π
∫0
a 1 ( b ω 2 ) co s 2 φ + ca 1 3 co s 4 φ td φ = 0
1π 3 1 π 2 4 a1 ( b ω ) + 4 ca 1 3 = 0 2 2 4 2 2
ω
2
3 = b + ca 1 2 4
例1 Duffing方程的周期 方程的周期
+ bx + cx x
3
= 03
f ( x ) = bx + cxx = a1 1 (t ) + a3 3 (t ) = a1 cos ωt + a3 cos3ωtT
= a1 cos + a3 cos3 1
∫ [a0
1 ( t ) + f [ a 1 1 ( t ))] 1 ( t ) dt = 0n
T
∫ [∑0
n
i =1
a i i ( t ) + f ( ∑ a i i ( t ) )] j ( t ) dt = 0i =1
j = 1, 2
T
∫ [∑01
n
i =1
a i i ( t ) + f ( ∑ a i i ( t ) )] j ( t ) dt = 0i =1
n
j = 1, 2
T
∫ [ a0
cos 9 + a 3 cos 3 + f [ a 1 cos + a 3 cos 3 ] 1 ( t ) dt = 0 cos 9 + a 3 cos 3 + f [ a 1 cos + a 3 cos 3 ] 3 ( t ) dt = 0
T
∫ [ a0
1
T
[ a1ω 2 c
os pt 9 ω 2 a 3 cos 3ω t + f [ a1 cos ω t + a 3 cos 3ω t ] cos ω tdt = 0. ∫0
T
[ a1ω 2 co s ω t 9 ω 2 a 3 cos 3ω t + f [ a1 cos ω t + a 3 co s 3ω t ] co s 3ω td t = 0 ∫0
2π
∫0
F1 ( ) d =F2 ( ) d =
1 (4 ba1 4 ω 2 a1 + 3 ca13 + 3 ca1 2 a 3 + 6 ca1 a 3 2 ) 2π = 0 81 (4 ba 3 36 ω 2 a 3 + ca13 + 6 ca1 2 a 3 + 3 ca 3 3 ) 2 π = 0 8
2π
∫0
4 ba1 4 ω 2 a1 + 3 ca13 + 3 ca1 2 a 3 + 6 ca1 a 3 2 = 04 ba 3 36 ω 2 a 3 + ca13 + 6 ca1 2 a 3 + 3 ca 3 3 = 0
3 3 3 ( b ω 2 ) a1 + ca13 + ca1 2 a 3 + ca1 a 3 2 = 0 4 4 2 ( b 9 ω 2 ) a + 1 ca 3 + 3 ca 2 a + 3 ca 3 = 0 3 1 1 3 3 4 2 4
初始条件
x ( 0 ) = 1, x ( 0 ) = 0
3 3 3 ( b ω 2 ) a1 + ca1 3 + ca1 2 a 3 + ca1 a 3 2 = 0 4 4 2 ( b 9 ω 2 ) a + 1 ca 3 + 3 ca 2 a + 3 ca 3 = 0 3 1 1 3 3 4 2 4
a 1 = 0 .9 9 7 0 9 3 , a 2 = 0 .0 0 2 9 0 7 , ω = 1 .0 3 6 7 2
x = a 1 cos pt + a 3 cos 3 pt = 0 . 997093 cos 1 . 03672 t + 0 . 002907 cos 3 . 11036 t
例2 用伽辽金法求Duffing方程的周期解
+ x + εx 3 = 0 x设解 x = acosωt = acos (仅取一项权函数cos ) 代入Duffing方程,并令与权函数乘积在一周期内积分=0x ∫ ( + x + ε x ) cos dt = ∫ ( aω + a + ε a cos )cos cos dtT 3 0 T 2 3 2 0
3 1 = a ∫ [( ω 2 + 1 + ε a 2 )cos + ε a 2 cos3 ]cos dt = 0 0 4 4T
x ∫ ( + x + ε x ) cos dt = ∫ ( aω + a + ε a cos )cos cos dtT 3 0 T 2 3 2 0
3 1 = a ∫ [( ω 2 + 1 + ε a 2 )cos + ε a 2 cos3 ]cos dt = 0 0 4 4T
3 2 1 + cos 2 1 2 T ∫ ( ω + 1 + ε a ) dt + ε a ∫ cos 3 cos dt = 0 0 4 2 4 0T 2
3 ω 2 + 1 + ε a 2 = 0 4
ω 2 = 1 + ε a2
3 4
设解:x = a1 cos ωt + a3 cos 3ωt = a1 cos + a3 cos 3 & & x = - a1ω 2 cos - 9a3ω 2 cos 3 x 3 = (a1 cos + a3 cos )3 = a13 cos3 + a33 cos3 3 + 3a12 a3 cos 2 cos 3 + 3a1a32 cos cos 2 3 3 1 3 1 = a13 ( cos + cos 3 ) + a33 ( cos 3 + cos 9 ) + 4 4 4 4 3 2 3 a1 a3 (1 + cos 2 ) cos 3 + a1a32 cos (1 + cos 6 ) 2 2 3 3 3 1 3 3 = ( a13 + a1a32 + a12 a3 ) cos + ( a13 + a33 + a12 a3 ) cos 3 + D ( ) 4 2 4 4 4 2
x ∫ ( + x + ε x ) cos dt = 0 x ∫ ( + x + ε x ) cos 3 dt = 0T 3 0 T 3 0
3 3 3 3 2 2 ò0 {[- a1ω + a1 + ε ( 4 a1 + 2 a1a3 + 4 a1 a3 )]cos φ}cos φ dt = 0 T 1 3 3 2 3 3 2 ò0 {[- 9ω a3 + a3 + ε ( 4 a1 + 2 a1 a3 + 4 a3 )]cos φ}cos 3φ dt = 0T 2
3 3 2 3 (1 ω 2 )a1 + ε a13 + a12 a3 + a1a3 = 0 4 2 4 (1 9ω 2 )a + ε 1 a 3 + 3 a 2 a + 3 a 3 = 0 3 1 3 3 1 2 4 4
3 3 2 3 (1 ω 2 ) + ε a12 + a1a3 + a3 = 0 4 2 4 (1 9ω 2 )a + ε 1 a 3 + 3 a 2 a + 3 a 3 = 0 3 1 3 3 1 2 4 4
给定适当参数后,采用C++语言编程求解。
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