基于骨骼重建机理的连续体结构仿生拓扑优化方法

骨重建是一种持续进行的新骨替代旧骨的过程,它通过具有骨吸收能力的破骨细胞和具有骨成形能力的成骨细胞来实现。在陆地脊椎动物中这两种细胞活动是严格平衡的,并且骨的拓扑形状是适应局部力学环境的。本文以Turing反应-扩散模型为基础,通过骨成形与骨吸收机理耦合建立了骨重建模型。该模型通过有限元方法和像素单元的添加和删除准则提出了连续体结构仿生拓扑优化计算方法,该方法将结构看成生长的骨骼,将寻找最优拓扑的过程比拟为骨骼的重建过程,应变能密度的均匀分布作为优化准则更新材料分布,直至达到一个平衡状态,并由此获得最优拓扑结构。最后通过典型的算例验证了所提方法的可行性和有效性。

用有限元法耦合反应扩散模型的骨重建和仿生拓扑优化方法研究

本文介绍了用有限元法耦合反应扩散模型的骨重建和仿生拓扑优化理论和方法.首先对骨微结构进行了建模,然后用仿生拓扑优化方法模拟了骨小梁结构的形成过程.对骨骼宏观结构和形状的形成过程也进行了建模并进行了仿生拓扑优化.不同载荷条件下的骨微结构模型在保留体积不同时的仿生拓扑优化结果表明,所有的结果最终都得到小梁结构并在给定的保留体积内趋于稳定,但是小梁尺寸大小有所不同.对于骨骼宏观模型,建立了不同边界条件的模型,用仿生拓扑优化方法模拟了骨骼宏观结构和形状的形成过程,得到了接近股骨、腓骨、脊椎骨、错骨和指骨等实际骨骼形状.

基于wolf法则的连续体结构仿生拓扑优化方法

基于生物力学中的Wolff法则指的是骨具有适应力学环境的功能,它将根据周围的力学环境调整自身的拓扑结构和形状,以最小的重量实现最优的结构和最大的强度。将基于反应扩散方程的骨骼重建模型通过有限元方法和像素单元的添加和删除准则对连续体结构拓扑优化设计提出了基于Wolff法则的仿生拓扑优化计算方法。对连续体结构拓扑优化中被广泛应用的短悬臂梁结构进行拓扑优化计算,以及其结果与其它几种拓扑优化方法进行比较,验证了文中方法的有效性。

植物叶片中轴图式的形态机理研究

中轴图式是生物组织一个普遍而显著的特征.为探讨植物叶片中轴图式的形态机理,采集了双子叶植物叶片的坐标数据并生成了叶片模型.依数学与形态的关系计算了叶片边缘与叶脉之间的角度,从理论上分析出叶脉其实是一个完美的等角坐标系.叶脉在结构上实际上是一种对称特征,在传递养料方面路径是最短且最有效的,完全符合路径最短与对称原理.建立了叶脉的分枝模型,分析了叶片主脉两侧生长的力学平衡关系.由于环境应力的不对称性使得叶片左右两侧的生长速度并不相等,但差异并不大.对侧脉的角度测量表明,叶脉分布体现了叶脉传输物质路径的最短形式,与其保持自身的能量稳定性有很大关系,植物叶片在生长过程中是符合最大生长率与系统最小势能的生态学约束关系的.

关于建筑结构表现手法的探究

当代建筑结构设计也已超越单纯的结构支撑．越来越重视结构本身的表现性。本文遵循技术思维和艺术思维的辩证关系，分析了以建筑结构为主要表现手段，着重发掘建筑结构中的艺术因素，寻找结构和艺术的结合点的五种具体方法。

极高热流密度的降级散热及耦合优化

伴随着各类载荷的小型化发展趋势,各类光/电子器件向着更高集成度方向发展,对热控系统带来更严苛的散热需求。芯片热流密度将达到1500 W·cm^(-2),目前各类散热技术均很难突破。本文针对千瓦每平方厘米级的“高热流密度、大功率”散热需求,提出了降级散热的新方法。采用超高热导率材料进行散热模块设计,将千瓦每平方厘米级降级至现有较为成熟的散热技术能耗散的百瓦每平方厘米量级。讨论了降级散热的传热特性和冷却工质的选择。针对降级散热的热点移除问题,提出雪花状和叶形仿生拓扑优化结构。为电子芯片的极高热流密度散热提供了新的解决思路。