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针对非线性振动分析中常见的渐硬恢复力型Duffing方程,首先建立了满足方程及初始条件的算子,运用相应的不动点理论,证明该算子在连续函数空间上有唯一不动点并可用迭代法求出。然后给出了该方程的精确解答及其迭代格式,并给出了对应的程序计算流程图。文末给出了该方法与Lindstedt-Poincare(L-P)法计算结果。结果表明,该解答的不仅是正确的,而且迭代格式非常简洁,便于编程求解。此外,该方法可以应用于其他非线性系统Duffing方程的求解。
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第
38
卷第
2
期
2006
年
4
月
西安建筑科技大学学报(自然科学版)
].
Xi'an
Univ. of Arch.
&.
Tech. (Natural
Science
Edition)
Vo
l.
38 NO.2
Apr.
2006
渐硬恢复力型
Duffing
方程的精确解法
石晶1.
2
郝际平
I
O.
西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安
710055;2.
长安大学理学院,陕西西安
710064)
摘
要:针对非线性振动分析中常见的渐硬恢复力型
Duffing
方程,首先建立了满足方程及初始条件的算子,
运用相应的不动点理论,证明该算子在连续函数空间上有唯一不动点并可用迭代法求出.然后给出了该方程
的精确解答及其迭代格式,并给出了对应的程序计算流程图.文末给出了该方法与
Lindstedt-
Poincaré
(L-P)
法计算结果.结果表明,该解答的不仅是正确的,而且迭代格式非常简洁,便于编程求解.此外,该方法可以应
用于其他非线性系统
Duffing
方程的求解.
关键词:非线性振动;
Duffing
方程;渐硬恢复力;算子;不动点理论;精确解
中图分类号
:0322
文献标识码
:A
文章编号
:1006-7930(2006)02-0245-04
工程实际中的许多非线性振动问题的数学模型都可以归结为
Duffing
方程.对于这些非线性微分
方程,要得到严格的精确解是非常困难的
[1-3J
有些方程甚至根本不存在封闭解.为了定量地分析非线性
振动的性质,各种的近似分析方法应运而生.目前,对于弱非线性自治和非自治系统已有多种近似解法,
如平均法、多尺度法、
Lindstedt-Poincaré(
L -
P)
法、渐进法
(KBM)
等[4-6
J
但是,对于一般的强非线性系
统,迄今为止,还未能形成一套有效的近似求解的方法,精确解答更是十分罕见,这一现状,近年来引起
不少学者的关注.本文给出了单自由度系统中渐硬恢复力型
Duffing
方程的精确解法,并运用相应的数
学原理,对其解答的正确性和唯一性加以严格证明.此外,还给出了对应的程序计算流程图及计算结果.
1
基本方程
渐硬恢复力型
Du
ffing
方程
:X+w6(X+u
3
)
= 0
ê<<
1
初始条件
:X(O)
=
a
,.T(
O)
工
O
2
引理
(1)
利用文献
[3J
中的定理来讨论方程Cl)
,由于该定理所考察的是混合单调算子,而本文将要讨论的
是混合单调算子的特例,现将相关定理陈述如下:
引理设
E
为具有正规锥的实
Banach
空间,算子
A
是区间
[Uo
'Vo )
(在空间
E
内)的减算子,并满足条
件
:a.
Uo
运
U
~
v ~
Vo
Uo
豆
Avo
Auo
~
Vo
(b)
11
Au
-
Av
11ζ
卢
11
v-u
11
卢
ε(0
,1))则关于
A
有以下结论
:c.A
存在唯一不动点再
ε
[uo
'Vo ]
(d)
任取
Wo
E [uo
,
voJ
,令
W
n--'-
1
Aw
n
,
则再=
limw
时,并有误差估计:11豆
-w
n
11ζ
(J'
11
Vo
-
Uo
11
•
3
解答的导出与证明
这里,令
X
U
将方程(1)改写为:
收稿日期:
2005-09-14
f
乍者简介:石
品<I
970-)
,女,山东胶商人.讲师,博士研究生,主要从事钢结构动力特性研究.
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weixin_38565003
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