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含时Schrdinger方程的高阶辛FDTD算法研究 被引量:8
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作者 沈晶 沙威 +2 位作者 黄志祥 陈明生 吴先良 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第19期8-14,共7页
提出了一种新的算法—高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3,4):symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程.在时间上采用三阶辛积分格式离散,空间上采用四阶精度的同位差分格式离散,建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛... 提出了一种新的算法—高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3,4):symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程.在时间上采用三阶辛积分格式离散,空间上采用四阶精度的同位差分格式离散,建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性.通过理论上的分析及数值算例表明:当空间采用高阶同位差分格式时,辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD(3,4)法和FDTD(2,4)法较传统的FDTD(2,2)法数值色散性明显改善.对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明:SFDTD(3,4)法较传统的FDTD(2,2)法及高阶FDTD(2,4)法有着更好的计算精度和收敛性,且SFDTD(3,4)法能够保持量子系统的能量守恒,适用于长时间仿真. 展开更多
关键词 积分 高阶同位差分 薛定谔方程 数值稳定性和色散性
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刚体动力学方程的一个辛积分方法 被引量:3
2
作者 路英杰 任革学 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2006年第1期47-52,共6页
针对四元数和对应广义动量表示的刚体定点动力学方程,利用一种位移格式的微分—代数方程积分方案,实现了非独立广义动量表示的拉格朗日方程的辛积分算法.数值实验显示该算法具有精度高和保持系统守恒量的特点.更为重要的是,广义动量表... 针对四元数和对应广义动量表示的刚体定点动力学方程,利用一种位移格式的微分—代数方程积分方案,实现了非独立广义动量表示的拉格朗日方程的辛积分算法.数值实验显示该算法具有精度高和保持系统守恒量的特点.更为重要的是,广义动量表示的拉格朗日方程较之传统形式的拉格朗日方程在辛积分中表现出独特的优越性. 展开更多
关键词 刚体动力学 四元数 广义动量 积分
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高阶辛算法在典型量子器件模拟中的应用 被引量:1
3
作者 王丽华 黄志祥 +1 位作者 况晓静 吴先良 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第4期18-24,共7页
利用辛积分和高阶交错差分方法建立了求解含时薛定谔方程的高阶辛算法(SFDTD(4,4)).对空间部分的二阶导数采用四阶准确度的差分格式离散得到随时间演化的多维系统再引入四阶辛积分格式离散;探讨了SFDTD(4,4)法的稳定性,获得了含时薛定... 利用辛积分和高阶交错差分方法建立了求解含时薛定谔方程的高阶辛算法(SFDTD(4,4)).对空间部分的二阶导数采用四阶准确度的差分格式离散得到随时间演化的多维系统再引入四阶辛积分格式离散;探讨了SFDTD(4,4)法的稳定性,获得了含时薛定谔方程的一维以及多维的稳定性条件,并得到在含势能情况下该稳定性条件的具体表达式;借助复坐标沿伸概念,实现了SFDTD(4,4)法在量子器件模拟中的完全匹配层吸收边界条件.结合一维量子阱和金属场效应管传输的仿真,结果表明较传统的时域有限差分算法,SFDTD(4,4)有着更好的计算准确度,适用于长时间仿真.算法及相关结果可为实际量子器件的设计提供必要的参考. 展开更多
关键词 积分 薛定谔方程 高阶算法 稳定性条件 量子器件
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三维共形电磁粒子模拟技术研究 被引量:1
4
作者 王玥 李永东 +1 位作者 蒋铭 王洪广 《真空电子技术》 2019年第6期12-22,共11页
CEMPIC为基于面向对象的C++语言所研制的用于真空电子学器件设计与验证的电磁粒子模拟软件,通过MPI消息传递机制实现了区域分解后相邻计算区域之间的信息通讯,具备大规模高效并行计算能力。在前处理方面,CEMPIC软件基于开源的计算机辅... CEMPIC为基于面向对象的C++语言所研制的用于真空电子学器件设计与验证的电磁粒子模拟软件,通过MPI消息传递机制实现了区域分解后相邻计算区域之间的信息通讯,具备大规模高效并行计算能力。在前处理方面,CEMPIC软件基于开源的计算机辅助设计函数库OpenCascade实现了复杂几何模型的构建,并基于射线跟踪法实现了高效、准确的共形网格剖分。在核心算法方面,CEMPIC基于保辛格式的共形电磁电磁场算法,能够准确求解弯曲边界处的电磁场值,并在很大程度上消除了粒子模拟中数值上虚拟的Cherenkov辐射;采用了三步Boris积分法提高了求解描述粒子运动的Lorentz力方程的精度;采用了满足电荷守恒的高阶权重分配和插值算法,使得算法体系能够满足离散的Gauss定理;采用了高阶的数值滤波技术,减低了由权重分配算法所产生的数值噪声。为验证CEMPIC软件的算法体系的正确性、匹配性以及软件的计算能力,采用CEMPIC软件对典型的高功率微波器件进行了模拟计算和验证。 展开更多
关键词 粒子模拟 共形 积分 Boris推进 Cherenkov辐射 数值滤波 粒子轨迹跟踪 模式成分分析
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基于高阶辛算法的纳米器件本征问题仿真 被引量:1
5
作者 沈晶 况晓静 +3 位作者 张量 曹欣远 陈明生 张忠祥 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第3期340-347,共8页
研究一种准确、有效的数值方法是现代纳米器件建模和优化的重要目标之一,而分析大多数纳米器件特性的起始点是确定器件的本征值和本征态。提出了一种新算法—高阶辛时域有限差分法(Symplectic finitedifference time-domain,SFDTD(3,4))... 研究一种准确、有效的数值方法是现代纳米器件建模和优化的重要目标之一,而分析大多数纳米器件特性的起始点是确定器件的本征值和本征态。提出了一种新算法—高阶辛时域有限差分法(Symplectic finitedifference time-domain,SFDTD(3,4)),求解含时薛定谔方程。在时间上采用三阶辛积分,空间上采用四阶差分格式,建立了针对含时薛定谔方程数值求解的高阶辛时域有限差分算法。将高阶辛算法SFDTD(3,4)用于一维量子阱中盒中粒子和一维谐振子的仿真中,实验结果表明SFDTD(3,4)法比传统的时域有限差分算法以及高阶时域有限差分算法更加准确,适用于对纳米器件本征问题的长时间仿真。 展开更多
关键词 量子光学 积分 时域有限差分 薛定谔方程 纳米器件本征问题
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Klein-Gordon-Schrdinger方程的辛Fourier拟谱格式(英文) 被引量:1
6
作者 王兰 马院萍 +1 位作者 孔令华 段雅丽 《计算物理》 CSCD 北大核心 2011年第2期275-282,共8页
主要讨论Klein-Gordon-Schrdinger方程的Fourier拟谱辛格式,包括中点公式和Strmer/Verlet格式.首先构造一个哈密尔顿方程,针对此哈密尔顿方程,在空间方向用Fourier拟谱离散得到一个有限维的哈密尔顿系统,对此有限维系统在时间方向... 主要讨论Klein-Gordon-Schrdinger方程的Fourier拟谱辛格式,包括中点公式和Strmer/Verlet格式.首先构造一个哈密尔顿方程,针对此哈密尔顿方程,在空间方向用Fourier拟谱离散得到一个有限维的哈密尔顿系统,对此有限维系统在时间方向用Strmer/Verlet方法离散得到KGS方程的完全显式的辛格式.中点格式虽然是隐式的但效率也很高,且具有质量守恒律.数值实验表明,辛格式能够在长时间内很好地模拟各类孤立波. 展开更多
关键词 KGS方程 FOURIER拟谱方法 Stmer/Verlet方法 中点格式 积分
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辛空间世界
7
作者 Mclac.,R 陈景波 《数学译林》 2000年第1期33-36,共4页
关键词 空间 积分 几何定律 太阳系
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欧拉方程的Velicity表示和辛积分
8
作者 陈旻 《计算数学》 CSCD 北大核心 1999年第2期171-180,共10页
In this paPer the author studies Buttke’s velicity reformulation of the incompressible Euler equation, and the symPlectic integration of the Hamiltonian system obtained by discretizing the vehicity equation.The autho... In this paPer the author studies Buttke’s velicity reformulation of the incompressible Euler equation, and the symPlectic integration of the Hamiltonian system obtained by discretizing the vehicity equation.The author shows that he linearized velicity equation is hyperbolic only in the weak sense and she analyzes the characteristics of the linea-rized velicity equation for the variable coefficient case. The author will briefiy describe the symplectic schemes: one is the imPlicit midpoint scheme, and tanother a fourthorder implicit scheme. Also, the author shows a computational result obtained by redistributing the Lagrangian points at flxed times. 展开更多
关键词 欧拉方程 哈密顿系统 Velicity表示 积分
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欧拉方程的velicity表示和辛积分(Ⅱ)
9
作者 陈旻 《数值计算与计算机应用》 CSCD 北大核心 1999年第1期1-9,共9页
In this paper the author applies the implicit midpoint scheme (IM) to her Hamiltonian system for large time, with the fixed time step (t) to be 0.1. Two velicitieswhose initial data diner by a gradient yield the same ... In this paper the author applies the implicit midpoint scheme (IM) to her Hamiltonian system for large time, with the fixed time step (t) to be 0.1. Two velicitieswhose initial data diner by a gradient yield the same velocity field for all time: the author has verified this in a numerical experiment using the IM scheme, up to t = 2. 展开更多
关键词 欧拉方程 Velicity表示 积分 数值计算
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一种纳米尺度振荡器的李雅谱诺夫特征指数的数值计算
10
作者 杨国来 陈运生 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第5期841-844,共4页
建立某纳米尺度振荡器的非线性振动模型,利用李雅谱诺夫特征指数判别该系统是否发生混沌运动。针对系统发生混沌运动时,利用标准的显式龙格—库塔积分法计算李雅谱诺夫特征指数的数值不稳定性问题,提出利用隐式的龙格—库塔辛积分法进... 建立某纳米尺度振荡器的非线性振动模型,利用李雅谱诺夫特征指数判别该系统是否发生混沌运动。针对系统发生混沌运动时,利用标准的显式龙格—库塔积分法计算李雅谱诺夫特征指数的数值不稳定性问题,提出利用隐式的龙格—库塔辛积分法进行数值积分,并对李雅谱诺夫向量进行修正,获得收敛的李雅谱诺夫特征指数。 展开更多
关键词 振动与波 混沌运动 纳米振荡器 李雅谱诺夫特征指数 积分
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两个三阶最优化力梯度辛积分器的对称组合 被引量:5
11
作者 李荣 伍歆 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2010年第10期7135-7143,共9页
利用已存在的三阶最优化力梯度辛格式以对称组合方法获得两个新的四阶力梯度辛积分器.它们在求解摄动Kepler混沌问题的能量精度和一维定态Schrdinger方程的能量本征值精度方面比Forest-Ruth四阶非力梯度辛积分器要好得多,甚至还要明... 利用已存在的三阶最优化力梯度辛格式以对称组合方法获得两个新的四阶力梯度辛积分器.它们在求解摄动Kepler混沌问题的能量精度和一维定态Schrdinger方程的能量本征值精度方面比Forest-Ruth四阶非力梯度辛积分器要好得多,甚至还要明显优越于已有的四阶最优化力梯度辛积分器。 展开更多
关键词 积分 摄动Kepler问题 混沌 能量本征值
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力梯度辛方法在圆型限制性三体问题中的应用 被引量:4
12
作者 陈云龙 伍歆 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第14期33-40,共8页
旋转坐标系下的圆型限制性三体问题因含非惯性系所附加的影响部分使得动能不是动量的严格二次型,可能导致力梯度辛积分算法的应用遇到困难.从Lie算子运算出发,严格论证了力梯度算子在这种情形下的物理意义仍然像质心惯性坐标系下的圆型... 旋转坐标系下的圆型限制性三体问题因含非惯性系所附加的影响部分使得动能不是动量的严格二次型,可能导致力梯度辛积分算法的应用遇到困难.从Lie算子运算出发,严格论证了力梯度算子在这种情形下的物理意义仍然像质心惯性坐标系下的圆型限制性三体问题那样是引力的梯度,而不是引力与非惯性力所得合力的梯度,表明了力梯度辛方法适合求解旋转坐标系下的圆型限制性三体问题.通过应用四阶力梯度辛方法、最优化四阶力梯度辛方法和Forest-Ruth辛方法分别求解该问题,进行了数值对比研究,结果显示最优化型力梯度算法能够取得最好精度.还应用最优化型算法计算两邻近轨道的Lyapunov指数和快速Lyapunov指标,确保高精度辛方法能够贯穿于这些混沌指标计算的全过程,以便准确刻画此系统的动力学定性性质. 展开更多
关键词 积分 圆型限制性三体问题 混沌 LYAPUNOV指数
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半隐Euler法和隐中点法嵌入混合辛积分器的比较 被引量:4
13
作者 钟双英 伍歆 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2011年第9期104-115,共12页
当Hamilton函数分解为可积和不可积两部分时,前者能用分析方法给出解析解,而后者可借助一阶半隐Euler法或二阶隐中点法等数值求解,将这种解析和数值解法组合能构造二阶混合辛积分器.理论分析表明Euler嵌入法的稳定区要小于中点嵌入法的... 当Hamilton函数分解为可积和不可积两部分时,前者能用分析方法给出解析解,而后者可借助一阶半隐Euler法或二阶隐中点法等数值求解,将这种解析和数值解法组合能构造二阶混合辛积分器.理论分析表明Euler嵌入法的稳定区要小于中点嵌入法的.再分别以圆形限制性三体问题和相对论自旋致密双星后牛顿Hamilton构型为例,详细比较了两嵌入法的性能特点.二者的数值精度、稳定性及计算效率与Hamilton的分解方式和轨道类型有关.就圆形限制性三体问题而言,当Hamilton采用势能和含坐标与动量混合项在内的动能分解时,无论对有序还是混沌轨道两嵌入法的数值性能基本相同;然而,当将含坐标与动量混合项做一个独立部分而其余的为另一个部分去分解Hamilton时Euler嵌入法数值稳定性劣于中点嵌入法.针对自旋致密双星来说,Euler嵌入法比中点嵌入法也具有明显的计算效率优势;当两嵌入法均保持数值稳定时二者精度没有显著差别;可是,在混沌存在等情况下Euler嵌入法大多变得数值不稳定.综合表明中点嵌入法具有较好的数值稳定性,尤其值得推荐用来求解后牛顿Hamilton动力学问题. 展开更多
关键词 积分 后牛顿近似 自旋致密双星 混沌
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辛积分器中沿迹误差的一种补偿方法 被引量:2
14
作者 廖新浩 刘林 《天文学报》 CSCD 北大核心 1995年第1期101-106,共6页
辛积分器严格描述了一摄动Hamilton系统的流,因而导致天体轨道的沿迹误差随时间呈线性增长趋势。本文利用这一特点,提出了一种对其沿迹误差进行估算的数值方法,从而达到了对数值结果进行沿迹误差补偿的目的。数值结果证实了... 辛积分器严格描述了一摄动Hamilton系统的流,因而导致天体轨道的沿迹误差随时间呈线性增长趋势。本文利用这一特点,提出了一种对其沿迹误差进行估算的数值方法,从而达到了对数值结果进行沿迹误差补偿的目的。数值结果证实了此方法在较大积分步长和较长积分时间的数值计算中是有效的。 展开更多
关键词 积分 误差 补偿法 天文仪器
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高阶辛算法的稳定性与数值色散性分析 被引量:2
15
作者 黄志祥 沙威 +2 位作者 吴先良 陈明生 况晓静 《计算物理》 EI CSCD 北大核心 2010年第1期82-88,共7页
利用Maxwell方程的哈密尔顿函数,导出对应的欧拉-哈密尔顿方程.利用辛积分技术与高阶交错差分技术,建立求解三维时域Maxwell方程的高阶辛算法;结合电磁场中的物理概念,借助矩阵分析和张量分析理论,获得高阶时域方法及高阶辛算法的稳定... 利用Maxwell方程的哈密尔顿函数,导出对应的欧拉-哈密尔顿方程.利用辛积分技术与高阶交错差分技术,建立求解三维时域Maxwell方程的高阶辛算法;结合电磁场中的物理概念,借助矩阵分析和张量分析理论,获得高阶时域方法及高阶辛算法的稳定性和数值色散性的统一处理新方法.用数值结果证实方法的正确性,与FDTD算法和其它时域高阶方法相比,高阶辛算法具有较大的计算优势,为电磁计算提供了新的途径. 展开更多
关键词 哈密尔顿函数 积分技术 稳定性和数值色散性 高阶算法
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一种基于波动方程的新高阶FDTD方法
16
作者 王烁 邵振海 +2 位作者 文光俊 李世贵 谢康 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第12期2069-2073,共5页
提出了一种基于二阶波动方程的(2M,4)高阶时域有限差分(FDTD)方法,通过使用辛积分传播子(SIP)在时域上获得4阶精度,使用离散奇异卷积(DSC)方法在空域上达到2M阶精度。与已有的(2M,4)阶FDTD方法相比,虽然两者都采用SIP和DSC方法,但是此... 提出了一种基于二阶波动方程的(2M,4)高阶时域有限差分(FDTD)方法,通过使用辛积分传播子(SIP)在时域上获得4阶精度,使用离散奇异卷积(DSC)方法在空域上达到2M阶精度。与已有的(2M,4)阶FDTD方法相比,虽然两者都采用SIP和DSC方法,但是此二者的不同点在于:第一,新方法基于二阶波动方程;第二,在离散计算空间时使用单一网格而不是传统的Yee网格;第三,单独计算某一场分量从而节约内存并减少计算量。数值计算结果表明,与传统高阶算法相比,基于波动方程的高阶FDTD方法耗费的机时只有它的50%,内存消耗下降10%,而两者的计算结果之间相对误差小于5‰。 展开更多
关键词 时域有限差分 波动方程 离散奇异卷积 拉格朗日多项式 积分传播子
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Duffing方程的辛精细积分方法研究 被引量:9
17
作者 都琳 侯平兰 《动力学与控制学报》 2017年第1期1-5,共5页
辛精细积分方法汲取了辛几何算法保持动力学系统辛结构的优点和精细积分方法高精度的数值优点,其实现过程中涉及到大量矩阵求逆运算.为减小辛精细积分方法的运算量,本文在辛精细积分算法之前先将非齐次方程近似齐次化,使得矩阵求逆部分... 辛精细积分方法汲取了辛几何算法保持动力学系统辛结构的优点和精细积分方法高精度的数值优点,其实现过程中涉及到大量矩阵求逆运算.为减小辛精细积分方法的运算量,本文在辛精细积分算法之前先将非齐次方程近似齐次化,使得矩阵求逆部分不显含时间,降低矩阵求逆计算量,并将这一方法应用于无阻尼Duffing方程的数值分析.通过与经典四阶Runge-Kutta格式及精细积分方法对比,发现辛精细积分方法在数值精度、计算耗时、保持系统能量等方面明显优于Runge-Kutta格式.此外,与精细积分方法相比,辛精细积分方法在保持系统能量方面存在明显优势. 展开更多
关键词 精细积分方法 DUFFING方程 齐次化 几何
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一种高阶辛时域有限差分法的研究 被引量:5
18
作者 赵瑾 徐善驾 吴先良 《电波科学学报》 EI CSCD 2004年第5期569-572,共4页
从电磁场方程的Hamilton函数出发 ,提出了一种基于辛时域积分技术的高阶时域有限差分方法。该方法对时域的离散采用了能够保证系统的相空间体积不变和总能量不变的辛格式 ,对于空间的离散采用中心差分格式。计算结果表明与传统的时域高... 从电磁场方程的Hamilton函数出发 ,提出了一种基于辛时域积分技术的高阶时域有限差分方法。该方法对时域的离散采用了能够保证系统的相空间体积不变和总能量不变的辛格式 ,对于空间的离散采用中心差分格式。计算结果表明与传统的时域高阶差分方法———Runge Kutta法比较 。 展开更多
关键词 高阶时域有限差分法 时域积分技术 Runge—Kutta法
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桥梁结构移动荷载识别的辛精细积分算法 被引量:6
19
作者 侯秀慧 邓子辰 黄立新 《动力学与控制学报》 2008年第1期66-72,共7页
首先利用哈密顿原理,将桥梁结构振动微分方程转化为哈密尔顿正则方程形式,然后将精细积分思想的算法引入到辛算法中,形成辛精细积分算法.在时间微段上,将非齐次项正弦/余弦化,得到了荷载识别的辛精细积分格式.与传统Runge-Kutta方法及... 首先利用哈密顿原理,将桥梁结构振动微分方程转化为哈密尔顿正则方程形式,然后将精细积分思想的算法引入到辛算法中,形成辛精细积分算法.在时间微段上,将非齐次项正弦/余弦化,得到了荷载识别的辛精细积分格式.与传统Runge-Kutta方法及荷载识别的精细积分格式相比,仿真算例表明本文算法不仅提高了识别精度,而且在长期定量计算中保持了辛算法的稳定性,计算结果不受积分步长的影响,因此可通过增大积分步长,缩短仿真时间,提高计算效率. 展开更多
关键词 荷载识别 桥梁结构 哈密尔顿系统 精细积分 移动荷载 Runge-Kutta方法 精细积分方法
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高层建筑结构地震响应的辛精细积分方法 被引量:2
20
作者 侯平兰 邓子辰 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2018年第4期442-451,共10页
高层建筑结构在地震作用下的动响应分析一直是土木工程结构设计中的难点问题.采用同时具有高精度和长时间数值稳定性的辛精细积分方法开展了高层建筑结构的地震时程分析,得到了结构弹性/弹塑性时程分析结果,并将分析结果与当前流行的商... 高层建筑结构在地震作用下的动响应分析一直是土木工程结构设计中的难点问题.采用同时具有高精度和长时间数值稳定性的辛精细积分方法开展了高层建筑结构的地震时程分析,得到了结构弹性/弹塑性时程分析结果,并将分析结果与当前流行的商业软件分析结果进行对比,验证了采用辛精细积分方法进行高层建筑结构地震时程分析的可行性与有效性. 展开更多
关键词 精细积分方法 地震响应 高层建筑结构 时程
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