虚拟变形法的试验验证

利用有限元理论阐述并试验验证虚拟变形法(VDM)在结构损伤识别中的运用。VDM方法是一种结构快速重分析方法,利用虚拟变形模拟结构损伤,可快速计算给定损伤下损伤结构的响应。以桁架结构为例,损伤只考虑单元刚度的折减,首先讨论了静态VDM方法,继而拓展到动态分析,根据损伤、单元实际变形和单元虚拟变形间的关系可以判断损伤类型和识别损伤大小,最后通过一个桁架结构的数值计算和悬臂梁的试验,分别验证了静态VDM方法和动态VDM方法。

基于虚拟变形法的移动质量识别方法研究

在车-桥耦合系统的移动质量(荷载)识别反问题中,识别移动质量会面临重构系统、优化缓慢的问题;而若直接识别移动荷载常常会遇到病态问题且对噪音敏感。针对这些缺陷,根据虚拟变形法(VDM)的结构快速重分析思想,提出移动动态影响矩阵,实现利用较少的传感器即可快速而准确地识别移动质量(荷载)。以移动质量为优化变量,避免了识别荷载常遇到的病态问题,对噪音鲁棒性强;且需要传感器信息少。每步优化中,利用移动动态影响矩阵,无需时时重构车-桥耦合系统的时变系统参数矩阵,优化效率高。VDM方法的思想是将实际结构的响应计算转化为初始结构模型在相同外荷载作用下的响应,与在结构模型发生改变的位置施加相关的虚拟变形或虚拟力引起的响应的线性叠加。通过简支梁模型和框架梁模型验证了该方法的可行性和有效性,即使在5%的噪声影响下,利用一个传感器就可以很好地识别多个移动质量。

基于静力虚拟变形法的结构损伤识别研究

为了提高大型结构损伤识别的计算效率,引入静力虚拟变形法(VDM),并结合序列二次规划(SQP)算法实现损伤定位和损伤定量。首先,基于VDM的基本原理,推导了损伤因子与虚拟变形的关系;其次,建立损伤应变与实际损伤应变的目标函数,并利用SQP算法优化目标函数,实现了结构损伤识别的快速计算;最后,以某实际大桥有限元模型为例,对其吊杆的损伤识别进行了数值模拟研究。设计了基于恒荷载的实时监测和基于车辆静荷载的定期检测2种工况对该方法进行验证。结果表明:该方法能够快速准确地识别出损伤发生的位置和程度。

基于虚拟变形法的车-桥耦合系统移动质量识别

利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆,并基于虚拟变形(VDM)方法的结构快速重分析思想,提出一种车-桥耦合系统的移动质量快速识别的有效方法.该方法以双自由度车体模型的质量为变量,通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离来识别移动质量(载荷),避免了识别载荷时常遇到的病态问题,对噪声鲁棒性强,且需要传感器信息少.每步优化中,利用在VDM方法基础上提出的移动动态影响矩阵概念,无需时时重构车-桥耦合系统的时变系统参数矩阵,显著提高了计算效率.利用数值框架梁模型,通过比较不同车辆简化模型对移动体质量及等效移动载荷的识别效果,验证了该方法的可行性和有效性,即使在5%的噪声影响下,利用一个传感器可以准确地识别多个移动体的质量.

砂井软土地基大变形非线性固结分析的虚拟时间法

本文提出了虚拟时间概念 ,克服了太沙基等人理论与方法的局限性 ,提出了砂井软土地基大变形非线性固结分析方法。

虚拟变量法求抗震结构的变形能力可靠度

在考虑地震地面运动加速度及结构参数随机性的基础上 ,利用虚拟变量法来求抗震结构的变形能力可靠度 ,给出了弹性范围内的基本公式和求解步骤。方法能综合反映地震动及结构参数随机性的影响 。

基于Bézier曲线的虚拟人皮肤变形方法研究

针对虚拟人皮肤表面参数表示方法中曲面形状难以控制、曲面间平滑连接不易实现的不足,研究了一种基于Bézier曲线的虚拟人皮肤表面变形方法;结合插入过渡段的人体分段方法和径向截面法实现了对Bézier曲线形状的有效控制,克服了传统参数表示方法中曲面难以平滑连接及皮肤表面细节难以描述的缺点,并实现了大臂肌肉和肘部皮肤随肘关节角度变化的实时变形。

基于静力虚拟变形法的桥梁结构损伤识别研究

静力虚拟变形法(VDM)在结构损伤识别中计算效率高、识别结果精确,但是其损伤识别应用范围仍局限于平面桁架及桥梁吊杆。拓展了静力VDM在结构损伤识别中的应用范围,并将其用于桥梁结构梁单元的损伤识别。首先,介绍了已有的静力VDM在平面桁架结构中的损伤识别理论;其次,引入了应变转换矩阵,将静力VDM损伤识别理论的应用范围从桁架结构拓展至三维梁单元,并以连续梁有限元模型进行了验证;最后,用静力VDM对某实际桥梁结构梁单元的损伤进行识别,并以现场观测的方法对损伤识别结果进行了初步验证。结果表明静力VDM能够有效地对桥梁结构梁单元进行损伤识别。

基于虚拟中心点的水平位移监测算法研究与应用

对于深基坑支护结构的水平位移,一般利用极坐标法、小角法或视准线法等进行观测,但作业效率不高,而在基坑自动化监测中,通常采用固定架站式全站仪观测,如何快速准确地将监测点坐标值转换为水平位移值则是关键问题。对此,提出了一种新的基坑自动化水平位移监测算法,在考虑基坑外边线轮廓的基础上引入了基坑虚拟中心点辅助计算,能快速准确地将观测值归算到基坑对应边线的垂直方向上,得到基坑各条边线上准确的水平位移量,提高了计算的效率和准确性。将该算法应用于深基坑水平位移监测实际案例,并利用人工监测中常用且精度很高的视准线法及极坐标法验证其监测精度。结果表明,提出的水平位移计算方法与视准线法的观测结果偏差率不超过15%,能准确反映水平位移监测点的实际变形情况,同时提高了内业工作效率。

基于虚拟变形法的桥梁索结构损伤识别研究

为了实现桥梁索结构的损伤定位和定量,引入虚拟变形法(VDM),并结合遗传算法以实现准确高效的损伤识别。首先,基于虚拟变形法的基本原理,定义损伤因子;其次,推导损伤因子与虚拟变形的关系,建立以损伤因子为变量的目标函数,并采用遗传算法优化目标函数;最后,通过某实桥有限元数值算例,结合桥梁车辆静载实验过程,详细介绍了吊索损伤识别的步骤。结果证明:该方法能准确高效地实现桥梁索结构的损伤定位和定量。

基于虚拟质点法的塑料薄膜变形分析仿真研究

作为一种高效、节能的生活垃圾处理方式,废旧塑料风力分选过程中塑料薄膜的变形影响了理论研究的精度。为解决上述问题,提出了一种新的方法——虚拟质点法,建立了薄膜变形的计算模型并简要推导了线单元的公式。通过该方法得到了塑料薄膜在风力为0.2m/s、0.35m/s时的变形量,与使用ANSYS Workbench软件的动网格及流固双向耦合模块求得的变形结果进行了对比,吻合较好。通过求得塑料薄膜的变形规律,可以提高塑料薄膜风力分选的精度,为下一步塑料薄膜风力分选机械的优化提供参考。

基于附加虚拟质量的结构损伤识别方法

针对大型土木结构的模态信息往往对局部损伤灵敏度较低的特点,提出通过在各个子结构上附加虚拟质量的方法提高局部灵敏度,实现整体结构的准确损伤识别。该方法无需在结构上布置真实质量,它首先利用虚拟变形法(VDM)可进行结构快速重分析的思想,由实测结构的激励和加速度响应,构造结构附加虚拟质量后虚拟结构的频率响应;然后结合灵敏度分析和附加质量与频率关系,确定所需附加质量和对应具有较高灵敏度的频率;最后分别在每个子结构上附加虚拟质量,联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速地识别出整体结构各个子结构的损伤。本文通过两层平面框架有限元模型验证了附加质量损伤识别方法的有效性。

虚拟手术中基于Tensor-Mass的变形仿真技术

详细论述并实现了虚拟手术中软组织变形仿真技术。虚拟软组织由四面体网格构成,生物力学模型使用Tensor-Mass模型。推导了一种半隐式数值积分算法用以求解软组织变形的动力学方程。该方法比传统的显式积分算法更稳定,并可将积分时间步长提高一个数量级。使用了基于拓扑距离的方法进一步减少数值积分算法的计算量。最后给出使用肝脏模型进行变形仿真的结果。

OpenCL加速的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真

为了提高柔性体变形仿真运行速度并且解决切割对变形计算稳定性的负面影响,提出了能与GPU加速的变形算法协同运作的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真方法.柔性体模型由真实四面体网格嵌入虚拟四面体网格中构成,前者用于碰撞处理和图形渲染,而后者则用于变形计算.切割算法首先分裂真实四面体网格;然后复制包含超过一块真实四面体连通碎片的虚拟四面体,每个复制品包含一块真实四面体碎片;再根据真实四面体之间的连接关系更新虚拟四面体之间的连接关系;最后更新真实四面体网格与虚拟四面体网格之间的镶嵌关系.为了确保仿真系统不被限制在NVIDIA公司的GPU上,GPU加速使用OpenCL实现.仿真测试结果表明,该方法可以在任意多次切割情况下保持变形计算稳定不发散,并且在NVIDIA公司和AMD公司的GPU上都可以正确运行.

面向虚拟场景生成的Morphing扩充方法

针对基于特征线段的Ｍｏｒｐｈｉｎｇ方法在虚拟场景生成中的缺陷，研究提出了一种扩充方法，称为Ｍｏｒｐｈｉｎｇ＋。该方法通过增加图像间的映射关系，使其满足透视性质；增加了由点到特征线中点的距离控制参数，增强对特征线作用大小调节；同时，引入了位置特征线的概念来控制场景中对象可见性的变化，使得特征线的作用更合理，变换更真实。Ｍｏｒｐｈｉｎｇ＋克服了以前方法中存在的透视、可见性、特征线歧义、效率低等问题，提高了绘制效率，结果图像更逼真。

裂纹扩展和裂尖变形机理的多尺度耦合数值模拟方法

利用提出的多尺度五区数值模型,实现了单边裂纹的平板α铁在宏观载荷作用下三个不同尺度(原子尺度、细观尺度、连续介质尺度)力学参量之间的耦合及传递,模拟了裂尖变形和裂纹扩展的多尺度演化过程。根据多尺度五区数值模型将平板建设为五个区域。其中:Ⅴ区为宏观尺度区,利用有限元方法对单边裂纹板进行动态数值分析,基于虚拟裂纹闭合法(VCCT)计算应力强度因子KI;Ⅳ区为包围裂尖的细观尺度有限元模型,Ⅳ区与Ⅴ区宏观尺度模型通过有限宽板应力强度因子表达式联系,从而获得Ⅳ区细观断裂模型的应力边界,并将其用于有限元加载,获得该区的位移场;Ⅰ区为嵌在Ⅳ区内的分子动力学模型区,通过该区的分子动力学计算可获得裂纹扩展和裂尖变形的机制,模拟裂纹分叉、堆垛层错、空位微观变形与失效机制等;Ⅱ区和Ⅲ区为分子动力学Ⅰ区与连续介质Ⅳ区之间的交互影响区,有限元结果通过Ⅲ区为分子动力学区提供载荷条件,分子动力学结果借助于Ⅱ区修正有限元的边界条件,实现了原子尺度离散区与连续介质区力学参量之间相互影响的动态耦合。

梁-弹簧单元在内法兰螺栓简化中的应用

内法兰数值模型内含的螺栓接触行为极易导致其计算不收敛,耗费大量的计算时间.为平衡计算成本和精度,构建螺栓连接结构的简化分析模型是主要手段之一.本文对多点约束-梁单元法进行了改进,提出一种梁-弹簧单元组合的螺栓简化方法,该方法使用梁单元替代螺栓,使用动力耦合约束和弹簧连接等效螺栓接触,用经过修正的虚拟热变形法施加螺栓预紧力.结果表明:该方法的分析时间和多点约束-梁单元法接近,相对全模型缩时约50%,计算精度更高、误差更小.采用该方法对通信单管塔内法兰连接节点进行分析,与精细模型和缩尺实验比较结果证明,该方法在内法兰结构中有较强的适用性.

结构损伤与荷载的快速同步识别方法研究

以损伤因子为优化变量,提出一种结构损伤和荷载同步识别的方法。首先通过时域荷载识别的方法将未知荷载转化为损伤因子的函数,将近似荷载作用下的结构响应和实测响应的平方距离作为目标函数,从而降低了需要识别未知参数的数目;然后在目标函数的计算过程中,利用虚拟变形法(VDM)可进行结构快速重分析的思想,快速构造给定损伤因子下系统的脉冲响应,避免每步迭代重新集装系统矩阵,并通过荷载形函数方法进一步提高荷载识别的效率;最后利用二次多项式插值近似结构每个时刻的响应方法和推导对应目标函数的梯度表达式来提高优化搜索的速度。本文利用刚架模型进行数值模拟,准确识别了结构中柱子单元刚度损伤、附加质量以及梁上的未知移动荷载,并通过一个悬臂梁试验进一步验证所提出方法的准确性和可行性。

非网格重剖分模拟宏观裂纹体的扩展有限单元法(2:数值实现)

探讨了扩展有限单元法的具体实现过程,包括裂纹体几何结构的拓扑分析、广义节点的选取及详细的单元数值计算。并针对前文提出的扩展有限单元平衡方程的统一矩阵实现模式,提出了采用虚拟层合元的思想来处理被裂纹横贯单元的子域积分问题,自然地解决了原方法中由于特殊的位移插值场在裂纹两侧不连续造成的单元刚度阵求解困难。同时依托比较成熟的虚拟层合单元法,可以方便地考虑域内及裂纹面上分布载荷影响。此外,一、二维算例较高精度的数值结果验证了本文算法的有效性和精度。

基于结构状态方程的结构参数和荷载识别方法

基于结构状态方程进行结构参数和荷载的共同识别。以结构参数修正因子为优化变量,由测得的结构动态响应结构和构造的系统矩阵计算相应的未知荷载。通过最小化实测结构响应与给定的修正因子下的计算结构响应间的距离来识别未知量。其中给定修正因子的系统矩阵由虚拟变形方法构造,并通过一个桁架结构的数值算例验证了该方法的有效性。