基于FEM-MEI和正余弦算法的二维电磁成像方法

针对二维介质目标的电磁成像问题,将正余弦算法(Sine Cosine Algorithm,SCA)与有限元方法(Finite Element Method,FEM)和不变性测试方程(Measured Equation of Invariance,MEI)进行结合提出一种新的成像方法。将FEM与MEI进行结合求解二维介质目标的电磁散射正问题,即求解Helmholtz方程。其中,MEI保证边界截断的精度,FEM适用于复杂介质目标的准确模拟。对于电磁散射逆问题,引入SCA并加以改进提出一种新的重构方法。该方法采用等效原理与格林函数的渐近式求得远区散射场,以测量的散射场和计算的散射场最大偏差为目标函数,采用改进的SCA优化介质参数,使目标函数达到最小值,以此重构散射体。为提高计算效率,采用MPI算法进行并行计算。文中采用基准函数展示了改进的SCA算法的快速收敛性,并采用非规则的均匀介质柱目标验证了成像方法的正确性。

RADIAL EXTRUSION PROCESS BY THREE-DIMENSIONAL RIGID-PLASTIC FEM SIMULATION

ＲＡＤＩＡＬＥＸＴＲＵＳＩＯＮＰＲＯＣＥＳＳＢＹＴＨＲＥＥＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬＲＩＧＩＤＰＬＡＳＴＩＣＦＥＭＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ①ＣｈｅｎＪｕｎ，ＰｅｎｇＹｉｎｇｈｏｎｇ，ＺｕｏＸｕ，ＲｕａｎＸｕｅｙｕＮａｔｉｏｎａｌＤｉｅ＆ＭｏｌｄＣＡＤＥｎ...

Recursive super-convergence computation for multi-dimensional problems via one-dimensional element energy pro jection technique

This paper presents a strategy for computation of super-convergent solutions of multi-dimensional problems in the finite element method （FEM） by recursive application of the one-dimensional （1D） element energy projection （EEP） technique. The main idea is to conceptually treat multi-dimensional problems as generalized 1D problems, based on which the concepts of generalized 1D FEM and its consequent EEP formulae have been developed in a unified manner. Equipped with these concepts, multi-dimensional problems can be recursively discretized in one dimension at each step, until a fully discretized standard finite element （FE） model is reached. This conceptual dimension-by- dimension （D-by-D） discretization procedure is entirely equivalent to a full FE discretization. As a reverse D-by-D recovery procedure, by using the unified EEP formulae together with proper extraction of the generalized nodal solutions, super-convergent displacements and first derivatives for two-dimensional （2D） and three-dimensional （3D） problems can be obtained over the domain. Numerical examples of 3D Poisson＇s equation and elasticity problem are given to verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy.

基于BIM精细设计模型融合FEM的铁路高边坡稳定性分析

为拓展BIM技术全生命周期的应用、提高铁路高边坡稳定性分析精度以及实现精细化设计,基于BIM对边坡稳定性分析流程与方法进行优化。通过理论分析、软件开发、数值计算分析等手段开展研究,对比分析边坡三维模型在BIM软件及有限元软件中的表达特征,使用Revit Api及Dynamo.dll进行高边坡三维设计及模型转换程序开发,提出一套基于ACIS内核以及模型关键信息提取相融合的BIM模型与有限元模型转换方法;进一步总结出基于精细化BIM模型融合有限元强度折减法的边坡工程三维设计模型创建与稳定性检算方法,并针对怀化西编组站高边坡进行实例研究,基于强度折减法进行高边坡三维与二维稳定性计算。结果表明,上述方法实现了基于BIM与FEM的边坡稳定性融合分析,三维计算结果相比与二维计算偏安全,高边坡各阶段稳定性系数均大于1.30,边坡处于稳定状态。研究结论:基于ACIS内核以及模型关键信息提取相融合的方法可实现BIM模型向有限元模型的精确转换;基于BIM模型的边坡三维稳定性检算,可有效减少有限元分析前处理时间,并提升有限元分析模型的准确性。

二维复杂弹性空腔的边光滑有限元建模及分析

在弹性空腔结构上敷设被动约束层阻尼(passive constraint layer damping, PCLD)可达到减振降噪的效果,针对这类复杂结构建立了二维复合弹性空腔的边光滑有限元耦合动力学模型。其中,PCLD结构采用两节点四自由度的PCLD梁单元,声场采用边光滑有限元模型。以二维全敷设复合矩形空腔模型为数值算例,以精细网格下的有限元法结果作为参考解,对比研究了在相同背景网格下,边光滑有限元法和有限元法的频响结果,发现前者更接近参考解,说明同样的计算成本下,边光滑有限元法具有更高的精确性,特别是在中频计算中。最后,分析了PCLD结构对某汽车驾驶舱的降噪效果,以及黏弹层和约束层厚度参数的影响规律,发现黏弹层厚度增大,可一定程度上降低空腔噪声,而约束层厚度增大,并不能在整个频段得到很好的降噪效果。

考虑预应力松弛的张拉整体机械臂可靠性分析

柔性张拉整体结构可应用于桥梁、机械臂和深空探测等多种工程场景。以张拉整体机械臂为例,应力松弛导致的绳索预应力水平下降可能带来驱动变形响应的不确定性,从而造成结构功能失效。因此,研究绳索预应力松弛不确定性在张拉整体结构中的传播对机械臂作动位移的定量控制十分必要。然而,张拉整体机械臂可能包含数十甚至上百根绳索,采用Monte Carlo方法对设计变量进行随机抽样时将面临“维度灾难”。通过对机械臂工作服役时间引入概率模型,并结合独立同分布假设,该文从钢索预应力设计规范出发,将随机发生的预应力松弛引入了基于共旋坐标法的结构可靠性分析。该文采用基于最小角回归的稀疏混沌多项式展开(polynomial chaos expansion,PCE)方法,对张拉整体机械臂作动位移进行不确定性传播分析,实现了对结构响应概率密度分布的快速预测。针对该文研究的12杆、36绳结构,稀疏PCE方法在仅使用500次有限元模拟结果作为训练数据的情况下便能获得足够高的预测精度,很好地解决了“维度灾难”问题,提高了分析效率。在此基础上,对设计变量进行灵敏度分析,准确找出对机械臂作动位移影响最大的绳索。研究结果表明,只需对该绳索进行材料选型改进,便能够大幅提高机械臂的长时作动可靠度。该文方法可应用于张拉整体机械臂的动力学问题不确定性量化及可靠性结构优化设计。

高铁荷载下路堤和路堑段地面振动特性现场测试与数值分析

对巴黎-布鲁塞尔高速铁路地面振动开展现场测试,对比分析了高铁运行引起的路堤和路堑段地面振动特性以及传播衰减规律。基于2.5维有限元法基本原理,推导并建立了高铁荷载下路堤和路堑段2.5维有限元动力计算模型,详细讨论了路堤和路堑设计参数对地面振动特性的影响。结果表明:距轨道较近处的地面振动幅值主要受列车轴重影响,而距轨道较远处则由中间车相邻转向架轮对的叠加效应主导。高铁运行引起的路堤和路堑段地面振动随与轨道距离增加而减小,中高频成分振动的衰减速率显著大于其他频段。路堤和路堑段地面振动1阶主频主要由列车荷载的基频f_1主导,随车速提高逐渐向高频方向移动。路堤和路堑对地面振动的衰减规律有重要影响,路堤段地面振动随与轨道间距的衰减过程可分为两个阶段,而路堑段地面振动衰减过程则可分为三个阶段,且振动在堑顶处有较为明显的局部放大现象。当与路堤段轨道间距≥19.0 m(路堑段≥23.0 m)后,地面振动Z振级VL_Z均小于80.0 dB。同时,高铁荷载下地面振动随路堤高度或路堑深度的增加而减小,当超过某一限值时,继续增加路堤高度或路堑深度难以有效减小地面振动。路堤段地面振动随路堤弹性模量的增大而减小。此外,在确保稳定性的前提下,较陡的路堑边坡更有利于减小高铁运行引起的地面振动。

基于多面体单元的三维ES-FEM理论研究

建立了基于多面体单元的三维光滑边域有限元法(ES-FEM-Poly),包括多面体单元中光滑域的划分方法、形函数的构造,以及几何矩阵、刚度矩阵的推导。同时利用Matlab软件编制了相应的计算程序,研究了空心球模型和梁模型在不同数量多面体单元下的应力分布,与常规四面体单元和六面体单元有限元计算结果通过应力相对误差和能量相对误差进行比较。研究结果表明,基于多面体网格的三维光滑边域有限元法相比常规有限元法具有更好的精度和收敛性,且对于复杂的几何结构也有较好的适应性。

Non-Linear Numerical Simulation of Coal and Gas Outburst as a Coupling Instability Problem of Solid-Fluid Biphase Media

Based on the theory of continuum mechanics of multi-pbase media, a mathematical model and non-linear FEM equation of the coupling instability problem of solid-fluid biphase media for coal-methane outburst under finite deformation are established. The critical conditions of the surface instability are presented as the singularity of the total stiffness matrices of the coal body for coal-methaue outburst. That means the deformtion or the coal body emerges bifurcatiou phenomena. The numerical simulation of a typical outburst is made.

Review of Dimension Reduction Methods

Purpose: This study sought to review the characteristics, strengths, weaknesses variants, applications areas and data types applied on the various Dimension Reduction techniques. Methodology: The most commonly used databases employed to search for the papers were ScienceDirect, Scopus, Google Scholar, IEEE Xplore and Mendeley. An integrative review was used for the study where 341 papers were reviewed. Results: The linear techniques considered were Principal Component Analysis (PCA), Linear Discriminant Analysis (LDA), Singular Value Decomposition (SVD), Latent Semantic Analysis (LSA), Locality Preserving Projections (LPP), Independent Component Analysis (ICA) and Project Pursuit (PP). The non-linear techniques which were developed to work with applications that have complex non-linear structures considered were Kernel Principal Component Analysis (KPCA), Multi-dimensional Scaling (MDS), Isomap, Locally Linear Embedding (LLE), Self-Organizing Map (SOM), Latent Vector Quantization (LVQ), t-Stochastic neighbor embedding (t-SNE) and Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP). DR techniques can further be categorized into supervised, unsupervised and more recently semi-supervised learning methods. The supervised versions are the LDA and LVQ. All the other techniques are unsupervised. Supervised variants of PCA, LPP, KPCA and MDS have been developed. Supervised and semi-supervised variants of PP and t-SNE have also been developed and a semi supervised version of the LDA has been developed. Conclusion: The various application areas, strengths, weaknesses and variants of the DR techniques were explored. The different data types that have been applied on the various DR techniques were also explored.

Developing a 3D-FEM Model for Electromagnetic Analysis of an Axial Flux Permanent Magnet Machine

Recently, many optimal designs for axial flux permanent magnet (AFPM) motors were performed based on finite- element (FE) analysis. Most of the models are based on reduction of 3D problem to 2D problem which is not accurate for design aspects. This paper describes an accurate electromagnetic analysis of a surface mounted, 28 pole AFPM with concentrated stator winding. The AFPM is modeled with three-dimensional finite-element method. This model in-cludes all geometrical and physical characteristics of the machine components. Using this accurate modeling makes it possible to obtain demanded signals for a very high precision analysis. Magnetic flux density, back-EMF, magnetic axial force and cogging torque of the motor are simulated using FLUX-3D V10.3.2. Meanwhile, the model is paramet-ric and can be used for design process and sensitivity analysis.

复杂工况下地下厂房三维动力响应特性及安全评价

为了得到复杂工况下地下厂房的真实动力响应,考虑地下厂房结构、边界条件和受力特性的复杂性,采用三维动力有限元法开展地下厂房的动力特性分析。计算成果表明:动位移最大值发生在地下厂房的两侧,但各方向的动位移相对都比较小,说明良好的约束可以有效的减小振动位移;正常工况的动力系数比较小,基本上呈静态响应,其他工况的动力系数相对较大,不会发生共振;不同荷载组合下的结构振幅能满足规范设计要求。其成果为有效优化地下厂房整体动力特性、改进抗振设计提供了技术手段。

A Novel Numerical Method of O(h^(4))for Three-Dimensional Non-Linear Triharmonic Equations

In this article,we present two new novel finite difference approximations of order two and four,respectively,for the three dimensional non-linear triharmonic partial differential equations on a compact stencil where the values of u,δ^(2)u/δn^(2)andδ^(4)u/δn^(4)are prescribed on the boundary.We introduce new ideas to handle the boundary conditions and there is no need to discretize the derivative boundary conditions.We require only 7-and 19-grid points on the compact cell for the second and fourth order approximation,respectively.The Laplacian and the biharmonic of the solution are obtained as by-product of the methods.We require only system of three equations to obtain the solution.Numerical results are provided to illustrate the usefulness of the proposed methods.

不同长度种植体对骨界面应力影响的三维有限元分析

作者应用牙CT扫描图像建立三维有限元种植模型，研究不同长度种植体在垂直、斜向、水平三种受载条件下周围骨界面的应力。结果显示：种植体长度增加两倍左右，而种植体骨界面最大应力区颈部的最大应力值只下降10％左右，从而提示，种植体长短对骨界面最大应力值影响不大，临床上进行口腔种植手术设计时无须过分强调种植体的长度选择。

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布。采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数。结果表明:有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性。此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场,为进一步的强度计算奠定了基础。

明珠线二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响

随着城市地铁轨道交通的发展,必然会形成越来越多的换乘节点。穿越车站的施工必然会对运营中的老车站的结构产生影响,造成施工时的风险。为了减少这种风险,利用三维有限元方法从理论上对老车站的结构变化进行分析,得出了一些规律性的认识和有价值的结论,从而保证老车站的正常运营。

铝合金三维铣削加工的有限元模拟与分析

针对铝合金材料7050T7451的铣削加工,将刀具视为刚体,前刀面和切屑间的摩擦定义为材料流应力的函数,采用商业有限元软件DEFORM3D,建立了能够反应实际铣削状态的三维铣削模型.利用该模型模拟了切屑的形成过程,获得了与实际切屑相似的屑形.通过分析铣削过程中的三维铣削力的变化,揭示了刀-屑的接触长度.对应力、应变和切削温度分布的分析表明,应力主要集中在第一剪切区,而应变和温度的最大值在刀-屑接触面上.

盾构法隧道引起的地表变形分析

在分析盾构法隧道引起地表变形的原因的基础上,将盾尾空隙的大小、注浆充填的程度、隧道壁面土体受扰动的程度和范围等对地层位移有着重要影响,而在实际工程中又难于分别量化的因素,概化为一均质、等厚的等代层,分析了地表变形对等代层参数的敏感性。在有实测位移的情况下,可运用位移反分析法较准确地获取等代层的参数。实例分析表明,这种处理方法用于实际工程中能取得合理的、令人满意的结果。

移动荷载下路面结构应力响应分析

实际中汽车总是以一定的速度行驶在路面上,首先将汽车荷载简化为移动的均布荷载,借助大型有限元软件ABAQUS,利用三维动力有限元方法,分析了移动荷载下车辆正常行驶状态、慢速行驶及刹车情况时路面结构内部应力响应规律。分析结果表明,较低的速度将会使路面结构内部产生更大的应力,各应力分量与速度变化基本呈线性关系;刹车过程中在路表面产生的水平荷载对路表面层附近的水平剪应力影响相当大,在刹车较频繁区域,提高面层及其层间接触面的抗剪强度,可减少或防止推挤、拥包等病害的出现。分析结果可为路面结构设计和路面施工提供理论参考。

盐水泥浆条件下定向井双侧向测井环境校正方法研究

在定向井中,双侧向测井数据由于受井眼、围岩、井斜、径向侵入等环境因素的影响,难以准确地估算储层的电阻率和更准确地识别储层流体.本文拟提出图版法和反演法相结合的思路来研究地层视电阻率的校正问题.首先,针对研究区的测井环境和钻井液电阻率,计算了不同尺寸井眼的双侧向测井响应,绘制了井眼校正图版;然后,针对斜度井地层模型,采用三维有限元方法计算了不同井斜、不同厚度地层的测井响应,构建了井斜-围岩/层厚图版,利用该图版实现了井眼校正和井斜-围岩/层厚的电阻率快速校正.最后,针对钻井液侵入的影响,采用反演方法计算了侵入半径和地层真电阻率,最终实现了双侧向测井的环境校正.利用上述理论与方法对海洋中定向井的双侧向测井资料进行了环境校正,提高了储层流体定性识别和定量评价的精度.