人体数字孪生构建方法及其在骨骼分析中的应用

目的:尝试将数字孪生(DT)技术应用于人体骨骼分析,探索人体骨骼DT体开发的框架及其关键技术。方法:针对人体腰椎骨骼,利用虚拟现实(VR)动作捕捉技术和传感器技术采集人体重要位置处的数据,将所得大量实时传感器数据通过人工智能技术进行数据分类、筛选、约简与计算处理得到所需要的关键数据。通过人体反向动力学与生物力学算法对关键数据求解得到目标骨骼的空间方位信息与力学信息,将部分传感器数据与计算结果融合后对目标骨骼进行仿真模拟,得到目标骨骼的各种生物力学性能,并利用代理模型技术对未知姿态下骨骼的生物力学性能进行预测,最后利用计算机图形学技术将所得性能数据建模渲染得到真实骨骼的高保真DT体,实现对腰椎骨骼生物力学性能的忠实孪生映射。结果:人体DT构建系统包括物理装备系统、数据传输系统、数据处理系统、数值计算系统、数据融合系统、仿真预测系统、孪生显示系统及数据存储系统。通过各系统协同作用,利用穿戴式VR设备和少量传感器即可实时计算出目标骨骼的生物力学性能,结合实验数据对骨骼生物力学性能的评估、预测及反馈控制,实现对目标骨骼实时的健康监测。结论:基于DT技术可实现人体骨骼实时动态的高保真数字化显示和运动动作的实时模拟,同时可提供骨骼的生物力学性能动态仿真分析、损伤预测和危险姿态预警等,为人体骨骼疾病防治及骨骼健康的监测提供理论依据和方法参考。

夹层式复合材料成型建模与敏感度分析

本文通过对夹层结构在固化过程中的树脂状态进行分析,对夹层结构建立了等效分析模型,并运用代理模型技术研究了固化过程中模具的热膨账系数,面板的热膨账系数、弹性模量、蜂窝尺寸等参数对夹层结构收缩量和圆度误差的影响。首先,采用有限元仿真的方法对夹层结构在固化过程中的应力和变形进行了模拟;其中,建立了蜂窝等效模型,并利用生死单元技术对树脂在固化过程中的变化进行等效建模。仿真结果与实际相符,结果表明树脂在成型中的状态变化是影响夹层结构收缩的主要因素。然后,利用径向基函数(RBF)模型建立了收缩量和圆度误差与影响参数之间的关系。最后,探讨了夹层结构的收缩量及圆度误差的影响参数的敏感度。结果表明:夹层结构的收缩量对于模具热膨账系数和面板热膨账系数最敏感,树脂的热膨账系数是影响夹层结构圆度误差最敏感的因素。

基于RBF代理模型的提升机天轮轻量化设计

对大型矿井提升机的天轮进行轻量化设计,并为天轮的轻量化设计提供一种更准确和高效的方法。基于有限元法,计算出正常工况下天轮应力分布及幅值,并在应力分布较为集中的轮辐工艺孔处定义8个结构参数为设计变量,利用最优拉丁超立方试验设计方法选取初始样本点,拟合了天轮径向基函数(Radial Basis Function,RBF)代理模型,以天轮质量最小为目标,以天轮应力幅值为约束,并运用自适应模拟退火(Adaptive Simulated Annealing,ASA)优化算法,对天轮进行轻量化设计。结果表明,天轮在优化后,质量比优化前减少了5.82%,应力幅值比优化前减少了0.41%,满足设计要求。因此,针对天轮的轻量化设计,采用合适的代理模型能提高结果准确性和计算效率,对代理模型在轻量化设计领域中的应用具有指导意义。

新兵集训期间卫生防病的几点做法

2000～2004年度，我部对来自内蒙、吉林、辽宁、福建、浙江、四川等11省、自治区征集的2200名新兵集训。集训期间由于卫生防病措施得力，确保了新兵质量，为提高部队整体健康水平打下了坚实的基础。

数据驱动的伸缩臂臂架动态应力预测

为探究伸缩臂叉车在过坎过程中其臂架应力变化,得到一种高效计算过坎时臂架应力的方法。通过试验测试得到俯仰油缸推力与加速度的关系,在俯仰油缸推力的最大值与最小值之间均匀抽取样本点,基于有限元法,计算出样本点对应的等效应力,使用样本点中的自变量与等效应力构建代理模型,通过臂架过坎过程中俯仰油缸推力来预测臂架应力。使用多项式响应面模型预测应力,测点试验值与预测值皮尔逊系数达到0.9以上,预测时间为2.7ms。因此,针对过坎工况臂架应力探究,使用代理模型来预测结构应力,能够大大减少计算时间,节约计算资源,对代理模型在伸缩臂臂架应力预测领域的应用具有指导意义。

面向飞机机翼数字孪生的在线加速度积分方法

传感器在线数据的准确快速处理是确保数字孪生可靠性和时效性的主要手段之一,特别对于描述运动状态的数字孪生,其重要性不言而喻。本研究面向飞机机翼数字孪生体构建的准确性和时效性,提出基于在线加速度积分的位移快速获取方法。首先,利用Netwon-Cotes插值对加速度信号进行动态积分,得到对应的速度,并采用指数加权移动平均(Exponentially weighted moving average,EWMA)对积分的速度进行“点到点”的实时去噪,确保计算的准确性和时效性。其次,对去噪后的速度进行快速积分获取对应的位移。同时,为了进一步减少位移中噪声的影响,构建动态滑动窗,采用高通滤波(High-pass filter,HPF)对积分后的位移进行快速去噪,实时获取最终位移。然后,通过构建不同含噪量和不同类型的加速度测试函数验证提出方法对噪声和积分信号复杂度的鲁棒性。最后,采用提出的方法构建飞机机翼数字孪生,通过对物理空间实测加速度进行实时积分与动态去噪获取对应的位移,并利用该位移在线驱动机翼数字孪生体动作,实现孪生机翼对实体机翼运动姿态的同步镜像。同时,本研究为在线信号的快速处理提供借鉴和参考。

基于多评价标准的代理模型综合比较研究

代理模型是指利用有限的样本信息建立结构输入与输出之间的数学关系,其在复杂装备的结构和多学科设计优化中的应用日益广泛,为了获取不同代理模型在代替仿真分析或物理试验时的表现效果,采用38个测试函数对常见的代理模型方法进行了系统对比。对九种代理模型在不同样本数量、不同非线性程度、不同维度的测试函数下的预测精度进行研究,并分析了模型在不同维度测试问题下的计算成本,最后通过两个工程实例对比了不同代理模型的预测性能。结果表明,在所有模型未进行参数优化的情况下,传统的代理模型(多项式回归,径向基函数模型,支持向量回归,克里金模型)在工程分析时能保持较好的预测性能;支持向量回归在大多数测试函数下,总能保持较好的预测精度;径向基函数在高非线性问题中鲁棒性最好,随机森林在低非线性问题中表现出更好的鲁棒性。因此,针对不同的回归问题,采用相适应的模型能进一步提高计算结果的准确性和效率,对研究回归模型在优化设计领域中的应用具有指导意义。

重大装备形性一体化数字孪生关键技术

重大装备形态和性能的精准预测与分析是实现其智能化和自主创新的关键技术之一。数字孪生作为连接物理世界和数字世界的纽带,可用于在数字世界中建立物理实体材料选择、结构设计、加工制造和运维管理的全生命周期真实镜像。面向重大装备几何形态和结构力学性能,通过分析当前建立数字孪生的需求与难点,提出机理模型与实测数据联合驱动的“算测融合”解决方案;综合考虑孪生模型的时效性与准确性要求,构建重大装备“形性一体化”的数字孪生框架。详细论述当前构建重大装备数字孪生所面临的“算不了”、“算不准”、“算不快”、“测不了”、“测不全”和“测不准”六个具体问题,并给出相关解决方案和关键技术。通过典型案例验证了所提框架与关键技术的可行性与有效性,为数字孪生在重大装备中的落地应用提供了理论和技术参考。最后,探讨了重大装备数字孪生的未来发展趋势和所面临的进一步挑战。

人体骨骼数字孪生的构建方法及应用

新一代智能制造中始终坚持以人为本的理念,其目的是要服务与满足人们的美好生活需求。人体数字孪生作为实现人机交互、健康监测的一种有效手段,通过由物理空间至虚拟空间的动态映射,实现在生产制造活动中人-机-环境的闭环交互。本文通过分析人-机-环境融合下的人体骨骼数字孪生的构建难点,基于机理模型、人工智能算法、数据填充技术、反向运动学技术四种关键技术,提出一种面向人体骨骼的数字孪生框架;并以人体腰椎为典型案例,实现了生产过程中人体腰椎力学性能的实时监测,从而验证了所提出框架和技术路线的可行性;最后,讨论“人本智造”下的人体数字孪生的难点和未来发展方向。面向复杂的人机交互环境,实现数字孪生的远距离感知、自主学习以及智能反馈是“人本智造”背景下的必经之路。基于“以人为本”的发展理念,在生产活动中提高人体数字孪生的进一步应用,从而促进智能制造的发展和完善。