強非線性振子近似解析方法研究及其在無限維動力系統(tǒng)中的應用.pdf

1、隨著科學技術的不斷發(fā)展，新型材料和結構形式的出現(xiàn)，機械系統(tǒng)越來越復雜，精密實驗室的隔振防振要求越來越高，高層建筑、大跨度空間結構和橋梁的防振設計以及大型索膜結構的防風設計越來越復雜，這些問題都使得強非線性振動問題的研究日益突出。近些年來，國內(nèi)外眾多學者都在致力于研究強非線性振動的新理論和新方法。但是，鑒于非線性微分方程的特性，使得目前沒有一種方法能夠得到所有類型非線性方程的精確解或特解，從而導致了定量分析方法具有多樣性與局限性并存的特性

2、。因此，非線性微分方程求解方法的創(chuàng)新和改進，仍然是值得研究的熱門課題。本文針對這一熱門課題進行研究，提出了兩種改進的方法，一種是平方廣義諧波函數(shù)攝動法，另一種則是廣義Padé逼近及其衍生方法。主要工作可總結為如下五個方面。
　　第一，對當前非線性動力系統(tǒng)的分岔研究與定量研究現(xiàn)狀進行了概述。
　　第二，對廣義諧波函數(shù)L-P法進行了改進。通過構造新的廣義諧波函數(shù)解，以及對求解過程的合理簡化，提出了一種平方廣義諧波函數(shù)攝動法，并利

3、用該方法研究了同時含有平方和立方非線性項的阻尼 Helmholtz–Duffing振子以及含有有理型勢能函數(shù)的廣義 Duffing-harmonic振子，求得了上述振子的高精度解析極限環(huán)和同異宿軌，較準確的預測了其同異宿分岔參數(shù)的臨界值，為一類非線性振子的定量分析提供新的思路和參考方法。
　　第三，在經(jīng)典 Padé逼近方法的基礎上進行了相應推廣，提出了廣義 Padé逼近方法，并針對強非線性振動系統(tǒng)的同異宿軌和周期軌求解問題，分別利

4、用雙曲函數(shù)和余弦函數(shù)構造了兩類新的廣義 Padé逼近式，并對Padé逼近的求解過程進行了合理的改進，求得了勢能函數(shù)為高階多項式、有理函數(shù)和無理函數(shù)振子的高精度解析同異宿解和周期解。突破了現(xiàn)有的Padé和類 Padé逼近方法無法有效求解周期解的限制，為Padé逼近在振動領域中的應用提供了新的參考和思路。此外，該方法簡單、直接，且所得之解的精度不受非線性項系數(shù)大小和振幅大小的影響。通過理論分析和實例計算表明，該方法并不局限于某些特定的系統(tǒng)，

5、而是有著較廣的適用范圍。因此，對廣義Padé逼近方法的研究具有一定的實際意義和理論價值。
　　第四，將廣義 Padé逼近方法與經(jīng)典的Lindstedt-Poincaré方法相結合，提出了一種廣義 Padé-Lindstedt-Poincaré方法。該方法即彌補了廣義 Padé逼近方法無法直接求解自激振動的局限，也彌補了橢圓函數(shù)攝動法在求解只含平方或立方非線性項以外的系統(tǒng)時精度不夠的局限。同時，該方法所得之解為顯式解，彌補了廣義諧波

6、函數(shù)攝動法的局限。更重要的是，該方法亦有著較高的求解精度和較簡單直觀的求解過程，便于利用計算機進行程序化計算。基于該方法，研究了幾類勢能函數(shù)為高階多項式函數(shù)和有理函數(shù)的強非線性振子，得到了其高精度的近似解析解，并較準確的預測了強非線性下的分岔臨界參數(shù)。因此，該方法亦可視為對現(xiàn)有攝動方法的一種有效補充，對該方法的研究具有一定的實際意義和理論價值。
　　第五，將上述方法應用于兩類無限維動力系統(tǒng)的求解。首先，應用廣義Padé逼近方法求解

7、了改進的Zakharov-Kuznetso方程、廣義 Pochhammer-Chree方程以及廣義 Drinfeld-Sokolov方程，得到了上述方程的高精度近似孤立波解。然后，利用平方廣義諧波函數(shù)攝動法研究了一類生物入侵模型，求得了該系統(tǒng)極限環(huán)解的近似表達式，并得到了極限環(huán)初值與控制參數(shù)之間的關系。利用此關系預測了系統(tǒng)在不同參數(shù)下的極限環(huán)初值，通過將本文所得結果與數(shù)值結果進行比較，驗證了該方法的有效性和可靠性。
　　最后，指出