Velocity-Verlet 积分的稳定时间步长限制

计算科学 稳定 时间积分
2021-12-07 15:48:41

我正在实现一个质量弹簧固体力学求解器,我想使用 Velocity-Verlet 时间积分方案。但是,我找不到关于最大稳定时间步长的任何信息——要么说没有,它像隐式方案一样无条件稳定,要么有一个,它受显式方案之类的约束。

我认为最大时间步长与最大力和粒子之间的最小距离有关(如果有的话),但我似乎找不到任何东西。Velocity-Verlet 集成的稳定时间步长限制是多少?

1个回答

在下文中,我基本上是在改写 p。Radford Neal的“使用哈密顿动力学的 MCMC”的24 。

至少对于跳跃式积分,可以分析计算二次哈密顿量的最大时间步长。对于这样的系统,越级步骤是线性映射(q(t),p(t)(q(t+ϵ),p(t+ϵ)). 然后稳定性取决于表示该映射的矩阵的特征值的大小。对于具有力常数的谐振子k, 这些特征值由下式给出(1kϵ22)±ϵkkϵ241. 因此对于kϵ<2, 特征值是复数并且具有平方大小1. 因此,用这个时间步长模拟的系统将是稳定的。另一方面,如果kϵ>2, 特征值是实数并且其中至少有一个具有绝对值>0. 这意味着当您迭代此方案时,具有此时间步长的模拟将不稳定。

现在这是用于越级积分,但由于 Velocity Verlet 积分密切相关,我认为可以计算出类似的稳定性标准,如果没有,那么我认为越级积分的结果也应该与 Velocity Verlet 积分的最大时间步长相当. 特别针对您的问题,我猜最大时间步长将由最硬弹簧的弹簧常数给出;“质量弹簧固体力学”对我来说听起来像是谐波势。