Study of spectral stability of generalized Runge-Kutta methods in the initial-boundary problems for the wave equation

Автор: Yankovskii Andrey Petrovich

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 2 т.8, 2015 года.

Бесплатный доступ

A general algorithm is developed to study the spectral stability of generalized multi-stage Runge-Kutta methods (RKMs) of different orders of accuracy for time integration of the wave equation. The stability function is obtained to estimate the spectral stability of these methods. Spectral stability of various explicit and implicit generalized RKMs is investigated. The behavior of the introduced stability function in a certain generalized RKM is found to be the same as in the previously studied case for the transport equation. It is shown that all the explicit generalized RKMs are spectral unstable, and the implicit generalized RKMs are spectral stable. Moreover, implicit methods based on the formulas of Rado, Lobatto IIIC, Merseta and Burridge possess the false attenuation property (asymptotic stability), and the methods of Gauss-Legendre, Lobatto IIIA, Lobatto IIIB of all orders of accuracy do not possess this property. Using the proposed stability functions, the spectral stability of Newmark’s family of methods is investigated. Computations demonstrate that one of the Newmark methods is a special case of the generalized RKM, namely, the one-step Gauss-Legendre (midpoint) method. Other Newmark methods are spectral unstable or they have the false attenuation property. A comparison is carried out between the approximate solutions obtained in terms of different generalized RKMs and Newmark methods and the exact solution of the problem of free vibrations of a string that is in equilibrium before its movement evoked by a concentrated force, immediately removed at the initial instant of time. The best finding in respect of a “simplicity of realization -achieved accuracy” ratio is the numerical result obtained from the three-stage fourth order diagonally implicit Burridge method, because the complexity of its realization is approximately the same as the Newmark methods, and its accuracy is higher by two orders of magnitude. It has been found that the algorithm developed to study the spectral stability of generalized RKMs and all theoretical results can be transferred with no changes to the parabolic equations, which contain the second time derivatives of unknown functions and describe the dynamic behavior of flexible beams or plates.

Еще

Generalized runge-kutta methods, newmark method, hyperbolic equation of the second order, spectral stability, initial-boundary problem, stability function

Короткий адрес: https://sciup.org/14320757

IDR: 14320757   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2015.8.2.10

Список литературы Study of spectral stability of generalized Runge-Kutta methods in the initial-boundary problems for the wave equation

  • Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. -М.: Едиториал УРСС, 2009. -424 с.
  • Игумнов Л.А., Ратаушко Я.Ю. Шаговый метод обращения преобразования Лапласа на узлах схемы Рунге-Кутты//Проблемы прочности и пластичности. -2013. -№ 75-3. -С. 178-184.
  • Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1977. -735 с.
  • Новиков Е.А. Явные методы для жестких систем. -Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1997. -195 с.
  • Фирсов Д.К. Устойчивость явных схем решения уравнений Максвелла методом контрольных объемов высокого порядка точности//Вычислительные методы и программирование. -2014. -Т. 15, № 2. -С. 286-303.
  • Ведерникова Э.Ю., Корнев А.А. Структура устойчивого многообразия полностью неявных схем//Вычислительные методы и программирование. -2013. -Т. 14, № 1. -С. 44-49.
  • Баженов В.Г., Игоничева Е.В. Нелинейные процессы ударного выпучивания упругих элементов конструкций в виде ортотропных оболочек вращения. -Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 1991. -132 с.
  • Баженов В.Г., Павлёнкова Е.В., Артемьева А.А. Численное решение обобщенных осесимметричных задач динамики упругопластических оболочек вращения при больших деформациях//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 4. -С. 427-434.
  • De Vogelaere R. A method for the numerical integration of differential equations of second order without explicit first derivatives//J. Res. Nat. Bur. Stand. -1955. -Vol. 54, no. 3. -P. 119-125.
  • Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. -М.: Физматгиз, 1959. -Т. 2. -620 с.
  • Левин В.А., Надкриничный Л.В. Численное исследование генерации волн на поверхности при погружении твердого тела в жидкость//Вычисл. мех. сплош. сред. -2011. -Т. 4, № 1. -С. 65-73.
  • Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method. -Oxford: Butterworth-Heinemann, 2000. -707 p.
  • Кузьмин М.А., Лебедев Д.Л., Попов Б.Г. Прочность, жесткость, устойчивость элементов конструкций. Теория и практикум. Расчеты на прочность элементов многослойных композитных конструкций: Учеб. пособие. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. -344 с.
  • Ву Р.В.Г., Уитмер Е.А. Устойчивость методов Де Вожела численного интегрирования по времени//Ракетная техника и космонавтика. -1973. -№ 10. -С. 97-100.
  • Деккер К., Вервер Я. Устойчивость методов Рунге-Кутты для жестких нелинейных дифференциальных уравнений. -М.: Мир, 1988. -334 с.
  • Banjai L., Messner M., Schanz M. Runge-Kutta convolution quadrature for the boundary element method//Comput. Method. Appl. M. -2012. -Vol. 245-246. -P. 90-101.
  • Липанов А.М., Карсканов С.А. Применение схем высокого порядка аппроксимации при моделировании процессов торможения сверхзвуковых течений в прямоугольных каналах//Вычисл. мех. сплош. сред. -2013. -Т. 6, № 3. -С. 292-299.
  • Романьков А.С., Роменский Е.И. Метод Рунге-Кутты/WENO для расчета уравнений волн малой амплитуды в насыщенной упругой пористой среде//СибЖВМ. -2014. -Т. 17, № 3. -С. 259-271.
  • Окуонгае Р.И., Ихиле М.Н.О. L(α)-устойчивые неявные методы Рунге-Кутты переменного порядка со второй производной//СибЖВМ. -2014. -Т. 17, № 4. -С. 373-387.
  • Немировский Ю.В., Янковский А.П. Обобщение методов Рунге-Кутты и их применение к интегрированию начально-краевых задач математической физики//СибЖВМ. -2005. -Т. 8, № 1. -С. 57-76.
  • Янковский А.П. Исследование спектральной устойчивости обобщенных методов Рунге-Кутты применительно к численному интегрированию начальной задачи для уравнения переноса//Вычисл. мех. сплош. сред. -2014. -Т. 7, № 3. -С. 279-294.
  • Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. -М.: Наука, 1979. -744 с.
  • Самарский А.А. Теория разностных схем. -М.: Наука, 1989. -616 с.
  • Доннелл Л.Г. Балки, пластины и оболочки. -М.: Наука, 1982. -568 с.
  • Власов В.З., Леонтьев Н.Н. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. -М.: Физматгиз, 1960. -492 с.
Еще
Статья научная