工程力学中的互补问题:模型

对互补问题在非线性力学中的一些应用情况给出了较概括的介绍,重点放在了静态接触问题、弹塑性问题以及结构优化问题的互补模型上。将力学问题写成互补模型的好处主要有两点:一是使力学问题有更自然、更精确的数学描述;二是可以考虑用互补问题的有效和强健的数值算法来求解。

工程力学中的互补问题:算法

工程力学里很多问题存在互补关系,文献[1]介绍了有关的数学模型。本文介绍了近年来求解互补问题的几种主要方法,包括投影方法、内点方法、方程组方法、延拓方法以及无约束优化方法。与此同时,也介绍了作者近期在互补问题算法方面的一些研究工作。

基于神经网络的岩体渗透系数反演方法及其工程应用

基于人工神经网络方法,根据岩体渗流场的水头观测数据和注水试验先验信息,建立了一种含水层参数识别数值方法。介绍了采用神经网络方法反演混凝土大坝岩石基础和混凝土帷幕渗透系数的工程实例。工程实际应用表明,所提出的反演方法得到的渗透系数代入到有限元模型,水头预报值具有比较高的精度。

在哈密顿体系下分析非线性动力学问题

首先将 n维未知向量 q的二阶非线性动力系统 Mq..+Gq.+Kq=F(q.,q,t)转化为与其等价的2 n维未知向量 v的一阶微分方程 v.=H v +f(v,t) ,其中非线性部分 fi(v,t) =0 (i=1 ,… ,n) ,fi(v,t) =Fi-n(q.,q,t) (i=n+ 1 ,… ,2 n) ;然后给出一种求解 v的逐步积分公式 ,从而将精细积分法进一步推广应用到非线性动力学问题。算例表明本方法的计算量较小且结果合理可靠。

滚筒式采煤机煤岩截割力学特性及测试系统研究

为实现采煤机在煤岩截割过程中滚筒载荷受力的测试与分析,现场建立等比例大型采煤机力学特性分析研究实验平台,采用等效结构惰轮轴传感器测试方法,针对滚筒式采煤机在煤岩截割过程中采煤机滚筒载荷变化进行实时动态在线监测,采用无线信号发射装置实现测试数据的实时传输。现场截割实验结果表明,在采煤机截割煤岩过程中,滚筒x,y,z三向上的载荷峰值差分别为29.941,17.459和7.371kN,载荷变化显著,测试结果符合现场实际工况,为实现采煤机煤岩动态识别以及自动调高控制提供了重要的理论和数值依据。

非对称转子-轴承系统碰摩的动力学特性分析

建立了受非线性油膜力作用的非对称转子-轴承碰摩模型,考虑刚度的各向异性,运用数值方法研究了轴两个主方向上的刚度比rk发生变化时,系统的分叉特性,发现系统发生碰摩时倍周期运动-混沌运动-倍周期运动的运动路径和反向涡动现象。针对数值结果使用分叉图、Poincare映射图和轴心轨迹图等方法研究其非线性特性,分析了碰摩对受非线性油膜力作用的非对称转子-轴承系统的影响。

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅱ)DAEs求解算法对比

研究求解微分-代数方程组(DAEs)的高效率、高精度和高稳定性数值积分方法一直是多体系统动力学领域的热点问题之一。本文将求解结构动力学方程的Bathe数值积分策略应用于DAEs的求解,并基于SiPESC平台开发了开放式多体系统动力学仿真算法软件,综合比较研究了Newmark法、HHT-I3法、Generalizedα方法、Bathe方法和祖冲之类Symplectic方法。通过复摆、刚-柔耦合双摆和对称陀螺三个数值算例研究了算法参数与数值阻尼的关系。数值实验表明,Newmark方法在特定参数下引入的数值阻尼通常不可控,HHT-I3方法、Generalizedα方法和Bathe方法通过选择特定步长和参数可引入可控的数值阻尼,祖冲之类Symplectic方法无数值阻尼。在求解真实高频和低频耦合问题以及高速旋转的陀螺问题时,采用祖冲之类Symplectic方法或者无耗散的Newmar方法能够对系统的高频成分进行准确模拟。

面向“一带一路”的工程教育国际化新体系研究与实践

"一带一路"战略为深化我国与沿线国家的教育交流合作提供了重要契机,也为我国的新工科人才培养体系的理论研究与教育实践开拓了新视野,提出了新挑战。在以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展的大背景下,对工程科技人才提出了更高要求。建设具有新理念、新结构、新体系、新质量、新模式的新工科,迫切需要借助国际化加快工程人才教育体系的改革创新。构建面向"一带一路"的工程教育国际化新体系,面向新工科人才培养,密切结合"一带一路"沿线各国工科人才培养的实际情况,以工程力学、航空航天工程、机械工程等专业的国际化联合培养为抓手,深入研究面向新工科建设的"一带一路"工程教育国际化新体系。

断裂力学在冰工程中的应用

冰工程对于断裂力学是一个相对较新的应用领域.对不同工程领域中广泛存在的涉冰断裂力学问题进行了列举归纳,然后从冰的自然特性诸方面论证了冰工程分析中引入断裂力学方法的必要性及其适用性,最后综述了主要的研究成果和进展.

面向环境力学的离散元分析软件研发和工程应用

离散元计算分析软件对解决环境力学中的离散介质问题有至关重要的作用.针对环境灾害中的非规则颗粒单元,以圆球颗粒为基本单元,分别构造镶嵌组合单元、黏结组合单元、扩展圆盘单元和扩展多面体单元等,并在此基础上开发基于球形颗粒离散元方法的分析软件(Software of Spherical Particle-based Discrete Element Method,SDEM).该软件可模拟碎冰、岩石和道砟等颗粒材料的力学行为,能直观展现这些力学过程的发生、发展和演化;基于GPU的并行计算实现离散元大规模计算的高效性.对SDEM软件在地质灾害、工程海冰和铁路道床等领域的应用进行介绍.

约束动力系统的分析结构力学积分

约束保守系统导出了微分代数方程,其数值求解总是采用差分法.微分-代数方程的约束带来Lagrange参变函数转变而得的微分方程,有其指标问题,扩大了求解的规模.虽然已经注意差分的保辛,但沿切面积分再投影,仍带来许多问题.本文运用分析结构力学的方法,以节点处的独立位移为未知数且严格满足节点的约束条件,再将有限元近似用于区段作用量函数,在区段内部用简单插值求解.则按分析结构力学的理论,不但达到了积分的保辛且区段内部的约束条件也可在变分原理的意义下近似满足.数值结果满意.

基于动物实验的应力与股骨近端生长关系的生物力学模型

目的建立可数值量化的应力与骨生长生物力学模型。方法将动物实验、骨生长方程中未知参数的反演识别和计算机技术相结合,研究应力环境对快速生长期大鼠股骨生长与重建的影响,依据大鼠股骨所受外力刺激以及近端骨密度数值的改变,反演骨生长方程中的未知参数B和K。结果文中所建的生物模型不仅能够数值模拟快速生长期大鼠股骨骨密度变化和外界刺激的关系,而且能够预测大鼠生命周期中某段时间内不同应力环境下股骨的生长趋势。结论:本文的建模思路和方法为人体骨骼重建适应模型的确立起到提示和借鉴作用。

数值模拟前庭系统膜迷路的生物力学响应

目的研究平衡感受器嵴顶对旋转椅试验的生物力学响应,为前庭系统功能状态的评估提供定量分析的平台。方法基于健康志愿者右侧颞骨完整的组织切片数据进行三维几何重建。运用拉格朗日法数值模拟头前倾30毅、频率0.8Hz、幅度依40毅的正弦摆动旋转椅试验中受试者前庭系统膜迷路的生物力学响应。结果右耳水平半规管嵴顶峰值位移为54.2μm,后规管嵴顶峰值位移为15.9μm;右耳前半规管嵴顶峰值位移为43.7μm,但是左右耳响应相同,对眼球运动的作用相互抵消;向右旋转,右耳水平半规管壶腹嵴嵴顶法向位移从管侧偏向椭圆囊侧,左耳水平半规管壶腹嵴嵴顶法向位移从椭圆囊侧偏向管侧,向左旋转时则相反。结论数值模拟得到的嵴顶的生物力学响应符合Flourens定律和Ewald定律。

非线性动力学系统最优控制问题的保辛求解方法

基于对偶变量变分原理提出了求解非线性动力学系统最优控制问题的一种保辛数值方法.以时间区段一端状态和另一端协态作为混合独立变量,在时间区段内采用拉格朗日插值近似状态变量与协态变量,然后利用对偶变量变分原理并将非线性最优控制问题转化为非线性方程组的求解,最终得到求解非线性动力学系统最优控制问题的保辛数值方法.数值实验验证了本文算法在求解精度与求解效率上的有效性.

人前庭系统膜迷路生物力学模型研究

为了验证机械压痕激励取代旋转激励使前庭系统膜迷路产生相同的生物响应的可行性,运用拉格朗日法数值模拟了两种激励实验前庭系统膜迷路液固耦合相互作用.结果表明当旋转轴通过感觉上皮细胞时,机械压痕激励可以取代旋转激励获得所刺激半规管相同的生物力学响应,但是其余半规管生物力学响应相差较大.研究证明拉格朗日法分析内淋巴液-平衡感受器体系是可靠的,为深入研究前庭力学及其与平衡机理的关系奠定基础.

热-水力-力学-传质耦合过程模型及工程土障数值模拟

提出了一个非饱和多孔介质中的热 -水力 -力学 -传质耦合过程模型。利用文献 [1]中提出的热 -水力 -力学本构模型 ,对工程土障系统进行数值模拟。数值模拟结果显示了环境条件对废物场中的热量产生和传输过程对工程土障中水力 -力学行为的影响以及可能在工程土障中产生塑性应变 ,导致土障破坏。污染物浓度分布的数值结果显示了温度与降水过程对污染物随地下水向土障周边自然环境渗透的倾向。

采煤机液压拉杠力学检测系统研究

为了研究复杂工况下采煤机液压拉杠的力学特性,采用液压拉杠固定垫片处设置压力环传感器的方法,对不同截煤工况下采煤机液压拉杠的拉力变化进行实时在线检测,采用无线信号收发模块实现检测数据的实时传输。实验表明:液压拉杠所受拉力的大小及波动与其位置和采煤机截煤工况均有关,其中位于煤壁侧上处的拉力最大,采空侧下处的载荷波动最剧烈;斜切进刀过程中,采空侧下、采空侧上、煤壁侧下和煤壁侧上等4处液压拉杠的最大拉力分别为495.345,379.85,493.294,539.33kN。研究结果为液压拉杠的设计优化提供重要依据。

电动桥式起重机负载升降过程的系统动力学模拟

从系统的角度考虑电动桥式起重机起升机构工作过程中的动力学模拟问题。首先,由系统的拉格朗日函数、约束条件和电机的磁共能定义修正的拉格朗日函数;随后,应用Hamilton原理和三相感应电机瞬态模型得出起升机构工作过程中电动桥式起重机系统的运动方程。为验证模型的效果,本文还进行了转子串电阻速度控制系统控制下的32t电动桥式起重机吊运额定负载下降过程的数值模拟,分析了高速浮动轴扭转刚度以及制动过程中转子电阻的配置方案对系统动力响应的影响。模拟结果表明,制动过程中起升机构高速浮动轴所受载荷远大于起动过程中所受载荷,制动开始时在电机转子电路中增加一级较大的外串电阻有利于减小下降制动阶段系统中的动载。

形状记忆合金复合材料系统非线性动力学研究

研究了形状记忆合金复合材料系统的非线性动力学特性。基于 Brinson的形状记忆合金本构关系和 De-jonghe的内耗模型 ,提出了单自由度简化系统的模型建立方法。考虑材料系统刚度和阻尼的变化 ,在弱非线性和较强非线性两种情况下给出近似 -解析解法。算例表明 :形状记忆合金可以作为良好的耗能材料 。

热风炉系统振动管路的流体力学行为分析

管内的一些流体流动行为是引起管路系统振动的重要原因之一。针对钢铁工业高炉热风炉大型设备在运转过程中的振动问题 ,应用流体力学相关理论重点分析了热风炉周围管路结构的流体力学行为 ,指出了弯管中二次流旋涡和收缩扩散管段边界层分离旋涡流动是诱发管路振动的机理 。