几个保守和耗散系统的动力学研究

发布时间：2017-06-09 03:02

  本文关键词：几个保守和耗散系统的动力学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：非线性动力学是非线性力学研究的一个重要领域。许多非线性保守和耗散动力系统具有对初始条件的极端敏感依赖性,即混沌现象。由于混沌系统的不可积性,无法得到其解析解。从理论和数值上对这些非线性系统的动力学研究涉及几个问题:如何寻找可靠的数值积分方法?怎样构造或采用可靠的混沌识别方法?如何了解非线性系统的动力学性质?如何运用非线性系统的动力学特性去解释一些物理现象?围绕这些问题,本文建立了以同一点两切向量夹角的余弦作为新混沌指标,并与已有的快速李雅普诺夫指标和较小排列指标等进行比较发现其一样具有较好的混沌识别灵敏性;还采用辛算法或Runge-Kutta(RK)为积分工具,研究了牛顿和1阶后牛顿圆型限制性三体保守系统动力学、圆轨道衰减的限制性三体耗散系统动力学及物理非线性弹性直杆件问题动力学。另外,利用高阶Runge-Kutta(RK)方法探讨了新四维自治耗散系统动力学,并用模拟硬件电路和基于单片机的数字电路实验进行仿真。下面分别简述这些工作。1、新混沌指标——余弦指标。考虑到快速Lyapunov指标与较小排列指标都是迅速识别混沌的指标,并且后者比前者识别混沌速度更快、更灵敏,因此,本文将以较小排列指标为基础发展和建立以同一点两切向量夹角的余弦作为相对论框架内独立于时空坐标选择并具有较好灵敏性的新混沌指标。如果轨道混沌,切空间同一点的两个切向量的夹角的余弦指数式地趋于1,而对于有序轨道,余弦一般在0与1之间某个值波动或代数式地趋于0。因此,余弦值可以作为区分有序和混沌轨道的指标。借助余弦指标和辛算法研究牛顿圆型限制性三体问题。使用几个辛算法分别求解该问题得到了它们的能量误差,找出精度最好算法;再用精度最好算法求解变分方程,即意味着全局辛算法的实施。结果表明新余弦混沌指标与Lyapunov指数和快速Lyapunov指标一样都可以正确揭示系统的有序和混沌性质,并且比Lyapunov指数识别混沌更快、更灵敏。2、1阶后牛顿圆型限制性三体问题动力学。对距离、时间和速度等标度变换得到质心旋转坐标系下的拉格朗日函数,使其中的牛顿圆型限制性三体问题部分两主天体距离与圆运动角速度都化为1,但后牛顿项明显含有两主天体距离与圆运动角速度的贡献。这样处理方便做牛顿与相对论的圆型限制性三体问题有序和混沌动力学的比较研究。通过大量扫描两主天体距离揭示1阶后牛顿三体问题轨道动力学定性演化规律。最后,由考虑两中心天体圆运动的1阶后牛顿效应的拉格朗日理论推导相应的1阶后牛顿哈密顿,揭示二者在有序和混沌动力学定性上存在一些差异。3、圆轨道衰减的限制性三体问题动力学。对圆轨道有引力耗散衰减的圆型限制性三体问题的运动方程进行位置、速度和加速度标度因子变换,通过大量扫描两主天体距离,发现与牛顿圆型限制性三体问题不一样,有圆轨道衰减的圆型限制性三体问题的轨道是不稳定的,换言之,两主天体的最终运动状态必然是并合,而小天体必然逃逸;系统保持牛顿动力学性质的时间与两主天体的距离有关。两主天体距离越短,第三个小天体逃逸就越早。两主天体间距愈大,牛顿三体问题动力学特性维持的时间愈长。4、非线性粘弹性杆件问题动力学。在工程应用中,分析弹性细杆强度、刚度和稳定具有十分重要的意义。该力学问题考虑的是一端固定而另一端受周期拉伸的二次和三次非线性Keilven-voigt粘弹性直杆动力学。首先应用Galerkin方法将无限维动力系统转化为单模态、双模态和三模态动力方程,进一步得到对应的Hamilton系统。其次,采用四阶辛算法、四阶力梯度辛算法、最优化四阶力梯度辛算法和含有三阶导数项的辛算法分别计算两类不同的轨道以便比较这些辛算法的能量精度来挑选精度最好算法。再次,利用Poincaré截面、Lyapunov指数、快速Lyapunov指标和功率谱等研究直杆单模态系统分别在参数激励和强迫激励作用下存在分岔、周期、准周期和混沌现象。最后,揭示不管是无强迫自由振动保守系统还是有阻尼参数激励的非自治耗散系统都可能存在周期、准周期和混沌性质。5、新四维电路系统动力学。从模拟电路推导出新的四维自治微分方程,对系统平衡点进行稳定性分析,再采用Lyapunov指数(LCE)、快速Lyapunov指标(FLI)和较小排列指标(SALI)等识别该系统的有序、混沌和稳定性。发现FLI和SALI在区分这个耗散系统的混沌性要比LCE快很多。还运用上述指标和分岔图找到系统从有序到混沌的参数临界值(r=14.6)以及系统由弱混沌跃迁为超混沌的参数临界值(r=35.7)。同时设计了抗干扰的基于单片机的数字电路和硬件模拟电路来演示混沌的实现。
【关键词】：圆型限制性三体问题 物理非线性粘弹性直杆 非线性电路 后牛顿近似 轨道衰减 辛算法 Lyapunov指数 混沌
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O322
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究历史和现状11-22
• 1.1.1 数值方法12-17
• 1.1.2 混沌指标17-19
• 1.1.3 动力系统的非线性现象19-22
• 1.2 本文的主要内容和创新点22-25
• 第2章 余弦指标及其应用25-38
• 2.1 引言25
• 2.2 余弦指标25-26
• 2.3. 理论模型26-27
• 2.4 辛算法的应用27-35
• 2.4.1 运动方程辛算法实现与比较27-31
• 2.4.2 变分方程辛算法实现31-35
• 2.5 混沌指标35-37
• 2.5.1 Lyapunov指数35
• 2.5.2 快速Lyapunov指标35-36
• 2.5.3 余弦指标36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 一阶后牛顿圆型限制性三体问题38-55
• 3.1 引言38-39
• 3.2 一阶后牛顿运动方程39-43
• 3.3 一阶后牛顿三体问题动力学43-45
• 3.3.1 牛顿三体问题（L_0）43-44
• 3.3.2 L_1+L_0系统44-45
• 3.3.3 L（L_1+ L_0+L_2）系统45
• 3.4 一阶后牛顿三体问题动力学与两主天体距离关系45-49
• 3.4.1 牛顿圆型限制性三体问题46-47
• 3.4.2 L_0+L_1系统与a的关系47
• 3.4.3 L_0+L_1+L·系统与a的关系47-49
• 3.5 拉格朗日方程与哈密顿方程比较49-54
• 3.5.1 数值定性比较51-53
• 3.5.2 数值定量比较53-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第4章 圆轨道衰减的限制性三体问题55-66
• 4.1 引言55-56
• 4.2 圆轨道衰减三体问题模型56-57
• 4.3 牛顿圆型限制性三体问题57-59
• 4.4 圆轨道衰减动力学59-65
• 4.4.1 庞加莱截面59-60
• 4.4.2 Lyapunov指数60-62
• 4.4.3 快速Lyapunov指标62-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 非线性弹性物理直杆问题动力学66-78
• 5.1 引言66-67
• 5.2 基本方程67-69
• 5.3 单模态系统69-72
• 5.3.1 单模态系统动力特性分析69-71
• 5.3.2 混沌判别方法71-72
• 5.4 双模态系统72-77
• 5.4.1 双模态非自治系统72-74
• 5.4.2 双模态自治哈密顿系统74-77
• 5.5 本章小结77-78
• 第6章 四维自治耗散混沌系统78-93
• 6.1 引言78-79
• 6.2 四维系统的电路和平衡点79-82
• 6.3 相空间实验观察82-83
• 6.4 数值模拟83-84
• 6.5 系统轨道的混沌指标84-87
• 6.5.1 李雅普诺夫指数84-85
• 6.5.2 快速李雅普诺夫指标85-86
• 6.5.3 较小排列指标86-87
• 6.6 从有序运动到混沌的跃迁87-89
• 6.7 系统模拟和数字电路硬件实现89-92
• 6.8 本章小结92-93
• 第7章 结论与展望93-97
• 7.1 结论93-95
• 7.2 展望95-97
• 致谢97-98
• 参考文献98-105
• 攻读学位期间的研究成果105-106

【参考文献】

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1 ;Several fourth-order force gradient symplectic algorithms[J];Research in Astronomy and Astrophysics;2010年02期

2 易照华,黄s

本文编号：434265