离散Marching Cubes算法在骨科手术模拟系统的应用

为保证模型相对准确和满足模拟手术过程中三维交互的实时性要求,手术模拟系统要求在保持模型拓扑结构的前提下简化模型。该文详细介绍了离散MarchingCubes(DiscMC)算法及其实现,在实现过程中使用查表法,解决了二义性问题,提高了程序的运行效率。实验表明,DiscMC算法在保持模型的拓扑结构基础上大幅度减少了三角面片数目,缩减比例达66%。DiscMC算法作为计算机模拟骨科手术系统的三维表面模型重构和简化算法是合适的。

三维服装表面模型的离散Marching Cubes算法

对三维服装表面模型的重构简化算法进行了研究。在三维表面模型和化简方面采用了离散MarchingCubes(DiscMc)算法,将离散的思想应用到三角面片的化简中,耗时插值计算量被降至最低,使得原有系统在重构效率和效果上都有极大的改善。位于同一平面且相邻的三角面片都进行合并,可以达到很高的简化比,算法效率很高,同时保持有限的精度损失,保持服装表面模型细微结构不会被DiscMC的简化过程所破坏,DiscMC优于其他算法。从算法描述实验可知,DiscMC仅限于原始体数据的密度值都在网格点上,并且简化是一次性的,不会反复进行简化,因此,非常适应于服装系统的三维表面模型简化。

葛根芩连汤调控FoxO1/MARCH1通路对小鼠胰岛素抵抗的改善作用

目的探讨葛根芩连汤通过调控肝脏叉头框蛋白O1(FoxO1)/膜相关环状蛋白1(MARCH1)通路对高脂饮食诱导的小鼠胰岛素抵抗的影响。方法小鼠给予高脂饲料喂养12周建立胰岛素抵抗模型,将30只造模成功小鼠随机分为模型组、葛根芩连汤组(15 g/kg)、吡格列酮(阳性药)组(20 mg/kg),每组10只,另取10只正常小鼠给予普通饲料喂养为正常组,连续给予相应药物灌胃8周,记录各组小鼠体质量。全自动生化分析仪检测检测甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)水平,ELISA法检测空腹血清胰岛素(FINS)水平并计算稳态模型胰岛素抵抗指数(HOMA-IR),检测腹腔内葡萄糖耐量(IPGTT)并计算葡萄糖曲线下面积(AUC),HE染色观察肝组织病理学改变,RT-qPCR法检测肝组织FoxO1、MARCH1、INSR、IRS1 mRNA表达,Western blot法检测肝组织FoxO1、Ac-FoxO1、MARCH1、INSRα、INSRβ、IRS1、p-IRS1蛋白表达。结果与正常组比较,模型组小鼠体质量、FINS、TG、TC、LDL-C、HOMA-IR、AUC均升高(P<0.01),肝组织细胞结构紊乱,边界轮廓不清,排列散乱,细胞肿大且大小不一,肝细胞内可见大量脂质空泡,少量肝细胞出现点状坏死,肝组织FoxO1、MARCH1 mRNA表达升高(P<0.01),INSR、IRS1 mRNA表达降低(P<0.01),肝组织Ac-FoxO1、MARCH1、INSRα蛋白表达升高(P<0.01),FoxO1、INSRβ、IRS1、p-IRS1蛋白表达降低(P<0.01);与模型组比较,葛根芩连汤组小鼠FINS、TG、TC、LDL-C、HOMA-IR、AUC均降低(P<0.01),肝组织细胞形态趋于正常,脂质空泡数目明显减少,肝组织FoxO1、MARCH1 mRNA表达降低(P<0.01),INSR、IRS1 mRNA表达升高(P<0.01),肝组织Ac-FoxO1、MARCH1蛋白表达降低(P<0.01),FoxO1、INSRβ、IRS1、p-IRS1蛋白表达均升高(P<0.01),而INSRα蛋白表达无明显变化(P>0.05)。结论葛根芩连汤可以减轻肝脏脂肪变性,改善胰岛素抵抗,其机制可能与抑制FoxO1/MARCH1通路,增加胰岛素受体及胰岛素受体底物的表达有关。

蚕豆物性参数测定与离散元仿真参数标定

采用离散元法对蚕豆与收获机具间的相互作用进行数值仿真研究,实现对蚕豆收获机具关键部件相关参数的设计与优化,以提高研究效率、减少研究成本。为此,通过物理试验对蚕豆基本物性参数、接触力学参数和休止角进行测定,参考物理试验测定结果选取仿真试验参数取值范围。以仿真试验休止角为响应值,由Plackette-Burman(PB)试验得到显著影响休止角的试验参数(蚕豆-蚕豆静摩擦因数、蚕豆-钢板静摩擦因数、蚕豆-钢板滚动摩擦因数),并利用最陡爬坡试验在PB试验基础上得到显著参数的取值范围。采用Box-Behnken(BB)试验在休止角与显著参数之间建立二阶回归模型,以休止角物理试验测定值为目标值,对显著参数进行寻优,获得最优参数组合,即蚕豆-蚕豆静摩擦因数0.25、蚕豆-钢板静摩擦因数0.47、蚕豆-钢板滚动摩擦因数0.35。最后,通过T检验得到P>0.05,表明采用最优参数组合得到的休止角仿真值与实测值相差无几,验证了最优参数组合的可靠性。

基于离散元法的SLM刮刀倾角对粉末铺展行为的影响研究

刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响.基于离散元法建立铺粉数值模型,对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究.针对不同的刮刀倾角,提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估,获得刮刀倾角对粉层质量的影响规律.根据颗粒分布及运动特征将粉堆颗粒体系划分为底层区、斜坡区、刮刀影响区和内部区4个区域.针对各区域进行铺粉过程动力学机理的深入研究,包括颗粒运动轨迹和速度场、刮刀前方剪切带、颗粒间力链分布及演化等.研究发现:刮刀倾角小于0时,颗粒体系难以形成完整的环流运动,剪切带较小,流向沉积层的颗粒较少,颗粒间强力链较少,刮刀间隙前方易形成力拱导致颗粒堵塞,进而形成空斑使得沉积层的致密度和均匀性较低.刮刀倾角大于0时,颗粒体系的环流运动较充分,剪切带较大,流向沉积层的颗粒增多,随倾角增大强力链增多,刮刀压实作用增强,有利于沉积层致密度和均匀性的提高.本研究为优化工艺参数、提高粉层沉积质量提供了理论基础.

细聚丙烯纤维混凝土介观离散力学模型及其Ⅰ型断裂强度负效应机理

细聚丙烯(PP,直径小于100μm)纤维混凝土Ⅰ型断裂强度随纤维含量增加呈现先增后减的变化规律,其机理尚不明晰。而且由于纤维数量过多,现有数值方法无法精细刻画细纤维混凝土力学行为。对此通过考虑细PP纤维亲水性提升基体局部水灰比的强度正效应和纤维桥接力强度贡献低于砂浆的强度负效应,并引入纤维直径等效系数(rf),实现介观尺度细聚丙烯纤维混凝土(PFRC)力学行为模拟。研究表明:纤维直径等效系数(rf)建议小于10;当纤维微量添加时,细PP纤维提升基体局部水灰比,使基体强度上升,此时正效应高于负效应;随着纤维含量增加,由于纤维桥接力贡献无法补偿相应面积基体强度,负效应持续增长,PFRC宏观Ⅰ型断裂强度下降。

岩崩坡面撞击碎裂特征离散元模拟

岩崩坡面撞击破碎是运动轨迹难以预测的重要原因,其中坡体几何特征是影响破碎块体运动变化特征的关键因素。为了研究岩崩撞击破碎过程及坡体几何特征对岩崩块体运动特征的影响,利用离散单元法(PFC^(2D))模拟技术,通过统计典型岩崩灾害点岩体结构与坡体几何特征,建立了岩崩自由落体-撞击破碎-运动堆积模型,剖析了在不同坠落高度、撞击角度条件下岩崩坡面撞击碎裂过程,获得了块体运动速度、裂纹数量和冲击力变化曲线,同时采用双参数Weibull分布对碎裂块体破碎程度进行了描述。实验结果表明:破裂过程分为接触-解体、挤压-碎裂及独立运动3个阶段;岩体碎裂由撞击点开始,沿结构面先出现解体,再产生新断裂面的岩石破碎;块体速度、裂纹数量和冲击力的骤变均发生在接触-解体与挤压-碎裂阶段,块体速度骤降,呈现出“阶梯效应”,冲击力骤升,表现为“双峰现象”,同时随着坠落高度增加或撞击角度减小,“阶梯效应”与“双峰现象”更为明显;同一撞击角度条件下,坠落高度的增加使得撞击动能增加,进而增大了破碎程度,导致粒径分布范围与特征粒径尺寸的减小;同一坠落高度下,撞击角度的增加,意味着接触面积的减小,进而降低了破碎程度,导致粒径分布范围与特征粒径尺寸的增大。研究成果对揭示岩崩坡面撞击碎裂机理及预测块体运动轨迹提供了技术支撑。

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。

采空区场地高速铁路路基动力响应离散元数值模拟分析

目的高速铁路穿越采空区场地存在重大安全隐患,为探讨采空区场地高速铁路路基的动力响应规律,方法利用3DEC离散元软件建立17组采空区场地高速铁路路基数值模型,分析不同列车荷载作用下路基内部的沉降变形和动应力分布规律,对比分析无砟轨道和有砟轨道路基内部动力响应的分布差异,分析采空区开采宽度、厚度对动力响应分布规律的影响。结果与无砟轨道相比,有砟轨道路基内部的动应力幅值明显更高,但其动应力的衰减速率也更高;动应力、动位移的时程曲线沿着路基深度方向出现不断增大的相位差;路基内部动位移幅值随着荷载作用时间增加而逐渐增大,但增大的速度不断降低,动应力幅值基本保持不变;动应力、动位移幅值与列车轴重存在明显的线性关系,随着轴重增加而线性增大;采空区开采宽度、厚度越大,列车荷载造成的动位移幅值也越大,但当开采宽度大于一定数值后,动位移幅值反而出现减小趋势。结论列车荷载、路基轨道类型和采空区场地的差异都会对路基内部的动力响应分布情况产生影响,研究结果可为采空区场地高速铁路的安全运行提供理论参考。

基于离散时间量子漫步的链路预测算法

量子漫步算法能模拟游走粒子在图上的量子相干演化,粒子的运动状态由量子态的相干叠加而成.与经典随机游走算法相比,量子漫步算法具有寻找目标节点时间少和源节点扩散至其他节点时间少的优点.提出一种基于离散时间量子漫步的链路预测(link predictionbased on discrete time quantum walk,简称LP-DTQW)算法.研究结果表明:相对于其他7种算法,LP-DTQW算法有更高的预测精度;LP-DTQW算法的时间复杂度远低于经典RWR(random walk with restart)链路预测算法的时间复杂度.因此,LP-DTQW算法具有更强的预测性能.

顾及特征离散程度的SEaTH特征优化选择方法

特征选择是面向对象信息提取的关键步骤之一。本文针对分离阈值(separability and threshold,SEaTH)这一特征选择方法在实际应用中存在的不足,例如未考虑特征值的离散程度,仅利用J-M距离评判单一特征,特征间可能存在较强相关性,以及无法有效确定出分类顺序,提出了一种改进的SEaTH算法(optimized SEaTH,OPSEaTH)。OPSEaTH算法首先在J-M距离基础上构建了一类特征评价指标(E值),有效解决了特征值的离散度问题;然后,基于E值构建出特征组合评价指标(C_(e)值),可有效评估得到每种地物的最佳特征组合并自动确定出地物的分类顺序;最后基于eCognition等分类器可完成对地物对象的最终有效分类。利用高分二号遥感影像数据对本文方法进行了测试,并将结果分别与SEaTH算法、DPC、OIF和最近邻分类器的分类结果进行了对比,结果表明:OPSEaTH算法不仅能有效降低特征维数、优化特征空间,还能够对分类顺序进行自动化合理确定,总体精度和Kappa系数及其他精度指标,均显著优于基于SEaTH算法的特征选择结果。本文方法无论从特征降维效果、分类结果精度还是计算效率方面均优于DPC、OIF和最近邻分类器结果。OPSEaTH是一种更优的特征选择方法。

基于离散元法的潮湿甘蔗复合肥参数标定

为能准确建立潮湿甘蔗复合肥的离散元模型,合理设置仿真参数,提高肥料颗粒动力学仿真结果的准确性,以休止角为响应值,对不同含水率的甘蔗复合肥进行试验研究。通过卸料仓法建立含水率与休止角的三元回归方程,决定系数为0.99;基于Hertz-Mindlin with JKR粘结模型,通过Plackett-Burman试验、爬坡试验和Box-Behnken试验从9个初始参数筛选出JKR表面能、甘蔗复合肥剪切模量、甘蔗复合肥与不锈钢静摩擦系数、甘蔗复合肥间静摩擦系数、甘蔗复合肥间恢复系数5项显著性参数,并建立休止角—离散元参数模型,模型P值小于0.01,变异系数为6.35%;最后,通过对不同含水率下的最佳参数组合进行仿真休止角试验,仿真结果与物理休止角试验的相对误差小于7.66%,验证不同含水率的甘蔗复合肥参数标定结果和研究方法是合理可靠的。研究结果可为基于离散元法的甘蔗施肥机械动力学仿真研究提供参考。

随机离散事件系统基于动态观测的安全诊断研究

现有随机离散事件系统研究大都是假设事件的可观测性是固定不变的,而许多实际应用系统中事件的可观测性往往与系统所处的状态有关。为此,本文提出一种动态观测下随机离散事件系统安全可诊断方法。引入一种动态观测,使每一个状态都有各自独立的可观事件;对动态观测下随机离散事件系统安全可诊断性进行形式化;推导出一个基于安全诊断器的动态观测下随机离散事件系统安全可诊断性的充分必要条件,实现动态观测下随机离散事件系统的故障安全诊断。

基于干扰观测器的升力式飞行器改进离散滑模控制研究

升力式飞行器具有飞行空域宽、速度变化范围大、机动性强等特点,是近年来国内外的研究热点。本文针对升力式飞行器模型大不确定及外界干扰强带来的控制难题,提出了一种基于干扰观测器的改进离散滑模变结构控制方法。首先,建立了俯仰通道的离散控制模型。其次,设计了一种基于干扰估计的改进离散滑模变结构控制律,并证明了其稳定性。再次,分析了参数选择对控制系统的影响,验证了控制律的有效性。最后,与传统的离散滑模变结构控制方法进行了比较。仿真结果表明,与传统的离散滑模控制方法相比,本文提出的控制律控制精度更高、鲁棒性更强、滑模面收敛速度更快及抖振更小,可有效提高升力式飞行器的飞行品质,实现复杂任务的稳定控制。

基于离散-连续耦合的岩溶隧道防突岩体安全厚度预测

为有效预防岩溶隧道施工中的突涌水灾害,首先,调研近年来国内岩溶隧道突涌水典型案例,总结隧道突涌水形成机理及其影响因素;其次,建立离散-连续耦合模型并采用多元回归理论的方法,明确防突岩体破坏的判定准则,划分岩溶隧道防突岩体破坏模式并提出裂缝发育规律;然后,基于对防突岩体最小安全厚度造成影响的各因素,针对溶洞位于隧道上方、下方及侧方3种情况分别建立防突岩体最小安全厚度预测计算式;最后,依托德庆隧道工程进行验证。结果表明:防突岩体破坏模式主要有弯折破坏、整体剪切破坏和复合破坏3种,可基于裂隙发展速度将其破坏过程分为初始阶段、快速发育阶段、平缓发育阶段3个阶段;各因素按影响显著程度由大到小依次为溶腔内水压、围岩黏结参数、溶腔跨度、溶腔高跨比和隧道埋深;计算得到德庆隧道3处施工段的防突岩体最小安全厚度分别为2.964,5.263和0.961 m,突涌水评估结果准确。防突岩体最小安全厚度预测计算式可用于预测并评估岩溶隧道突涌水风险。

导引头稳定平台离散时间预设性能控制

针对现有离散时间预设性能控制方法对滑模趋近律依赖度高、抖振缺陷明显的难题,通过创建一种摆脱了滑模控制的设计新框架,为拦截弹导引头稳定平台提出了一种离散时间预设性能控制新方法。首先,设计一种离散时间性能函数对跟踪误差的收敛轨迹进行包络约束;然后,定义一种离散时间转换误差并将其用于构造一种新颖的反馈函数;设计离散时间控制律对新开发的反馈函数而不是转换误差进行镇定,不仅保证了所有跟踪误差均具有期望的预设性能,还摆脱了控制算法对滑模趋近律的依赖性,从根本上解决了控制抖振难题;最后,通过数值对比仿真验证了所提方法的有效性与优势。

三维可变形圆化多面体离散单元法

为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

求解TSP的离散野马优化算法

针对求解TSP问题,提出一种新的元启发式算法离散野马优化算法(DWHO),应用最小位置匹配值法(MPMV)对求解结果进行离散化解码;为提高算法搜索能力,结合野马放牧、交配、领导者交流与选拔行为,引入变邻域搜索策略,增强了算法的局部搜索能力、加快算法收敛速度。选取TSPLIB标准库33个算例进行实验,并与交换序列人工蜂群算法(ABCSS)、离散蜘蛛猴优化算法(DSMO)两种算法进行比较。实验结果表明,DWHO求得的最优解与ABCSS、DSMO两种算法的最优解相比,最优解改进率最大值分别达到4.52%和3.41%。同时,将离散野马优化算法求解TSP收敛速度与以上两种算法进行比较,其收敛速度具有一定的优势。结果表明离散野马优化算法求解能力和精度具有优势。

颗粒缩放理论标定未筛选烟煤离散元仿真参数

【目的】为了给未筛选烟煤的仿真研究提供参数依据,分析未筛选烟煤的离散元仿真参数,保证仿真与实际颗粒的几何、材料及运动学相似,实现未筛选烟煤的可靠仿真研究。【方法】采用实验和仿真相结合的方法,测得未筛选烟煤的粒径分布、密度、静摩擦因数、堆积密度、休止角等基本参数;基于颗粒缩放理论,建立不同粒径范围内典型颗粒的放大模型,通过Plackett-Burman、最陡爬坡、 Box-Behnken试验对未筛选烟煤的泊松比、切变模量、滚动摩擦因数、恢复系数、 Johnson-Kendall-Roberts(JKR)表面能等仿真参数进行标定。【结果】以实验和仿真休止角相对误差最小为优化目标,得到最优参数组合下的未筛选烟煤的仿真休止角为37.59°,与休止角实验值37.81°的误差为0.58%;仿真堆积密度为717 kg/m^(3),与堆积密度实验值722 kg/m^(3)的误差为0.69%。【结论】煤-煤恢复系数与休止角呈负相关,煤-煤和煤-钢滚动摩擦因数与休止角呈正相关,溅射现象会阻碍颗粒堆积。

基于离散单元法的渗流侵蚀作用下桩基位移与承载特性研究

随着城市地下空间桩基与隧道立体交叉分布体系的日渐复杂,隧道渗流侵蚀引发的桩基稳定性问题越发突出。然而,目前关于隧道破损引发渗流侵蚀方面的研究工作主要聚焦于侵蚀发生机制方面,其与邻近桩基的相互作用尚欠关注。因此,在物理试验揭示渗流侵蚀机制的基础上,通过建立土体临界细粒含量表达式,量化表征了地层侵蚀形态;随后,采用随机定量删除细颗粒的方法,基于离散单元法DEM建立了多区域侵蚀地层模型,进而分析了不同桩基位置、沉桩方式、桩基荷载和基础类型条件下桩基结构的侵蚀响应特征。结果表明,桩基受侵蚀后均产生不同程度的下沉位移,并在不平衡力的驱动下向侵蚀区倾斜;桩端阻力受损后随桩体下沉逐渐上升,侧摩阻力损失则基本无法恢复。此外,不同沉桩方式与桩基荷载下,桩体的位移与阻力变化模式基本一致,主要是变化量的不同;相比单桩,群桩具有更好的抗侵蚀能力。