基于Cosserat理论的仿生鱼骨连续型机器人静力学分析

连续型机器人具有良好的灵活性、柔顺性和人机安全性等优点,受生物鱼骨结构启发,提出了结构紧凑、质量轻、灵活性高的仿生鱼骨连续型机器人。但多节垂直交叉的刚柔软耦合结构模式使仿生鱼骨连续型机器人静力学的精确建模难度增加。本文基于Cosserat理论考虑了驱动绳索和弹性骨干的耦合作用对该机器人进行静力学分析,建立了仿生鱼骨连续型骨干的Cosserat-rod模型和驱动绳索的Cosserat-string模型以及二者的耦合模型,预测了一节仿生鱼骨单元以及垂直交叉串联布置的两节仿生鱼骨单元的变形规律。理论与实验结果相比,理论值误差在1.5 mm之内,为其长度的1.2%。本文为绳索驱动的刚柔软耦合连续型机器人的静力学建模提供了理论参考。

基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝深层滑动主要表现为沿缓倾角的软弱结构面形成滑移通道,滑移通道内应变积聚且应变梯度急剧不连续,是典型的应变局部化现象,采用经典连续介质理论进行数值模拟时存在病态的有限元网格依赖性。引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,提出了基于Cosserat理论的Mohr-Coulomb弹塑性模型,考虑非关联的流动法则,在经典塑性理论框架下采用向后Euler隐式积分算法进行应力更新。采用ABAQUS的自定义单元接口(UEL)进行二次开发,进行了平面应变条件下单轴受压的数值验证。数值模拟结果表明,该模型能保证应变局部化问题的正定性。基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析结果表明,采用超载法进行重力坝渐进破坏过程模拟时,基于经典连续体理论的模拟结果有较大的网格依赖性,而且结果偏于安全,而采用Cosserat连续体理论的结果对网格密度不敏感。

基于Cosserat理论的应变梯度非协调数值研究

依据Cosserat连续介质理论下非协调离散体系的能量相容性,导出了非协调位移的一个合理约束条件。根据这个条件构造了一个应变梯度平面4节点非协调单元。计算结果表明,该单元对可压缩和不可压缩状态的Cosserat类型的应变梯度材料均给出合理的数值结果,再现了材料的应变梯度效应。

层状岩体地下洞室的Cosserat理论有限元分析

采用一般有限元对互层岩体进行数值分析研究时,要求的单元数量多、建模工作量大;并且难以反映层状岩体的弯曲变形特性。针对这种岩体Cosserat介质模型是一种很有用的有限元等效模型。首先对基于平面应变问题的Cosserat介质理论及扩展模型简略介绍,然后导出了模型的Mohr-Coulomb塑性屈服条件。再利用Matlab平台编制有限元程序,并对地下洞室工程进行数值模拟。将所得结果与传统连续介质法的结果进行对比。结果表明,基于Matlab的Cosserat有限元程序的有效性及解决互层岩体这类问题的适用性与优越性。

基于Cosserat理论的小孔应力集中问题的有限元分析

近来由于细观力学的发展和对材料尺度效应的研究使得Cosserat理论受到了关注。本文给出了基于Cosserat理论的有限元八节点等参元格式,数值计算了单向均匀拉伸小孔应力集中问题,研究了Cosserat理论中有关参数对应力集中因子和尺度效应的影响。计算结果与理论解十分吻合。这表明,基于Cosserat理论的平面八节点等参元适用于求解基于Cosserat理论的平面问题。

Cosserat理论在互层岩体洞室有限元分析中的应用

Cosserat理论考虑了偶应力对介质变形特性的影响,能反映出层状材料的弯曲变形。首先对基于平面应变问题的偶应力理论及扩展模型简略介绍,然后导出了模型的Mohr-Coulomb塑性屈服条件。再利用Matlab平台编制这种模型的有限元程序,并对地下洞室工程进行数值模拟验证程序的有效性。结果表明:Cosserat介质扩展模型与参数混合法互补是解决互层岩体问题的有效方法之一。

Cosserat理论的应变能定理及解的唯一性

Cosserat理论已广泛应用于岩土工程,求解Cosserat问题时,解析方法与数值方法都曾被采用。证明了Cosserat 问题的能量原理及解的唯一性定理,进一步完善了该理论,并保证了数值及解析求解结果的正确性。

Cosserat理论的有限元实现及微梁弯曲的尺寸效应模拟

由于传统连续介质理论的本构关系中不包含任何长度相关的量纲,因此它难以预测微电子工业设计与制造中常常遇到的微米尺度下的尺寸效应问题.通过建立Cosserat理论的变分原理和有限元基本方程,进而编制了相应的有限元程序GFEM2D,模拟了微米尺度下悬臂梁的尺寸效应.研究结果表明,随着内禀长度的增大,梁的抗弯刚度也增大.研究结果证明了Cosserat介质理论分析材料尺寸效应的可行性.

基于Cosserat理论的头发动态模拟

针对基于弹性杆理论的超螺旋模型中对动力学方程的求解影响头发模拟实时性的问题,采用Cosserat弹性杆理论对头发建模,引入角速度变量,并加入头发运动平衡的固有约束,得到改进的拉格朗日动力学运动方程;然后,将头发单体离散化,用角速度和四元数作为状态变量简化动力学方程,用半显式的欧拉方程加速方程的执行,大大降低了系统的运行时间,提高了模拟的速度,在满足实时性要求的同时提高了头发模拟的真实度。

基于Cosserat理论的微观结构对非均质材料有效性能的影响分析

为更有效地研究具有周期性微观结构的非均质材料平面应变问题,用基于Cosserat理论的渐进均匀化方法得到微观结构对非均质材料有效性能的影响情况.计算结果表明,单胞内夹杂体的形状对有效杨氏弹性模量、有效泊松比、有效Cosserat弹性常数和有效材料特征长度有影响,并且随着夹杂体与单胞体积比的增大而影响明显.

基于Cosserat理论的广义协调元法

首次将广义协调元理论与Cosserat理论相结合,构造了一个基于Cosserat理论的平面四节点广义协调等参元。依据常应力与线性应力下的广义协调条件,推导了广义协调位移,进而得到有限元列式。利用广义协调元,一方面克服了协调元过于刚硬的缺点,另一方面消除了非协调元不一定收敛的弱点。分析了带有圆孔的应力集中问题,可以看出,该单元的数值精度准确和计算效率高。

基于Cosserat理论的平面等参元

为解释材料在微尺度下的尺度效应,基于Cosserat理论,从势能泛函驻值条件出发提出构造8节点Serendipity平面等参元,并建立平面有限元法.每个节点拥有3个独立节点自由度,分别为2个方向的线位移和1个逆时针方向的角位移.用该方法分析含中心小孔的无限平板在单轴拉伸情况下的应力集中问题.数值计算结果与Cosserat理论的解析解非常符合,表明应力集中因数k受泊松比μ,常数c及a/l值的影响很大;由于偶应力的存在,小孔周围的应力分布明显小于经典弹性力学理论的预测.通过对材料常数c的调节可以将该方法推广应用于基于Mindlin偶应力理论的数值分析中.

基于Cosserat理论的柱状节理岩体本构模型

柱状节理岩体复杂的各向异性对相关工程设计及施工提出了挑战,准确掌握其各向异性力学参数对降低工程风险十分重要。基于Cosserat理论和Goodman当量叠加原理,首先建立了四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体二维本构模型。通过引入应力集中系数,将本构关系扩展至三维空间。针对白鹤滩水电站柱状节理岩体,采用3种模型分别计算了工程常数取值,并分析了3种模型计算结果与工程经验取值差异,比较了3种模型各向异性特征。结果表明,3种模型计算值与经验公式估算结果及现场原位承压板试验结果相近,四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体模型的弹性参数变化曲线分别反映出各模型正交各向异性、准横观各向同性、横观各向同性的各向异性特征。

基于Cosserat理论的柱状节理岩体各向异性本构模型研究

针对白鹤滩柱状节理岩体的各向异性力学特性,引入三棱柱和四棱柱概化模型,采用Cosserat理论和Goodman当量叠加原理,基于一组节理岩体的微观介质体,得到其Cosserat扩展介质本构关系;然后将其用节理法向刚度和切向刚度简化处理,并叠加到空间三维Cosserat介质本构关系中,建立宏观意义上的四棱柱和三棱柱柱状节理本构模型;最后基于FLAC3D,将Cosserat各向异性本构模型用于白鹤滩柱状节理岩层隧道开挖数值模拟中,并对比分析各向同性和各向异性条件下围岩开挖各阶段应力–应变的差异及对工程的影响。相比各向同性本构模型,Cosserat各向异性本构模型3个方向上的应力相差较大,更能反映工程实际,对工程优化设计有着重要的意义。

基于Cosserat理论的微梁振动特性的尺度效应

不少微观实验已经证实,微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应。采用偶应力理论(又称Cosserat理论)研究微梁振动特性(主要是固有频率)的尺度效应。文中首先对偶应力理论进行简介,然后采用Hamilton变分原理推导基于Cosserat理论的微梁无阻尼自由振动的微分方程,分析微梁固有频率对微尺度的依赖性。结果表明,当微梁的厚度减小到可以和材料的本征长度相比时,微梁的固有频率将显著增大。

基于Cosserat理论的柱状岩体断续节理本构模型研究

针对白鹤滩柱状节理岩体的各向异性力学特性,考虑节理部分引起的弯曲效应,采用Cosser-at理论和材料连续均匀假设,得到规则岩体一组断续节理的Cosserat本构关系,然后根据规则六棱柱形岩体结构特点,视平面为三组断续节理的复合,得到柱状节理岩体平面本构关系,最后针对白鹤滩工程实例,验证本文模型的正确性.

Cosserat理论与模型的研究进展

Cosserat连续体介质力学是有别于传统连续介质力学的微极连续介质力学,它保留了连续介质力学中的基本假设:物体任意部分均满足全部守恒定律;任意点的状态只与点的任意小临域影响有关。物体被视为微极点的集合,在整体宏观运动中,允许每个微极点既可以作平移运动,又可以作转体运动。Cosserat连续体介质力学理论模型在分析特定材料和特定物理现象时,表现出很高的求解精度和良好的模拟效果。文中首先概述了Cosserat连续体介质力学的发展历程及其基本理论;进而介绍了Cosserat理论在土木工程中的典型应用,尤其是岩石、土和混凝土力学性能的模拟计算方面;最后讨论了Cosserat理论在模型建立、数值计算和应用等方面值得进一步研究的问题。

数字赋能文旅深度融合的理论逻辑与研究框架

数字赋能文旅深度融合既是数字经济时代文旅发展的重要方式,又是文旅研究的重要课题。文章在阐述文旅深度融合内涵的基础上,探究了数字赋能文旅深度融合的基本逻辑,认为数字技术嵌入支撑文旅数字化,促进文旅信息融合化,带来文旅产业新变革,形成文旅共生体和数字文旅新形态。从理论研究、数字赋能和融合实践3个维度,初步构建了数字赋能文旅深度融合的研究框架,强调要创新性地运用文旅IP理论、融合共生理论、文旅场景理论、产业演化理论、系统动力学等理论,阐释文旅融合学理及其内在逻辑、演化过程和动力机制,深化文旅深度融合主要科学问题研究。文章提出要把握数字赋能文旅融合的关键技术、文旅资源普查与评价、文旅融合场景建构、文旅产业融合创新生态体系、国家文化公园与文旅融合示范区建设、科技创新与数字文旅人才培养等关键问题,推动文旅融合应用实践和学术研究持续创新,更好地服务于新时代中国式现代化建设和文旅高质量发展。

干旱形成机制与预测理论方法及其灾害风险特征研究进展与展望

在全球变暖背景下,干旱事件发生的频率和强度不断增大、影响不断加重,干旱发生规律的异常性和机制的复杂性也更为突出,对干旱形成机制、预测理论方法及灾害风险变化规律等方面都提出了新的挑战,也制约了当前干旱预测、预警及其灾害防控能力的提高。近年来,在国家重点基础研究发展计划(973计划)课题等多个国家级项目支持下,已在干旱灾害形成机制与预测理论方法及其风险特征方面取得了一系列新成果。通过动力诊断、数值模拟和田间试验等方法,开展了干旱形成的多因子协同作用和多尺度叠加机制、干旱致灾过程的逐阶递进特征,以及干旱灾害风险分布演化的主控因素等方面的研究。对如下几方面的新进展进行了系统总结归纳:(1)厘清了全球变暖背景下青藏高原热力、海温、夏季风、遥相关等多因子对干旱形成的作用机制。(2)发现了降水亏缺时间尺度和农作物不同生长阶段的干旱敏感性规律。(3)揭示了变暖背景下典型区域干旱灾害风险分布及其变异的新特征;构建了干旱灾害风险新概念模型。(4)研发了东亚季风区的季节和次季节干旱集成预测系统。在总结归纳已取得研究成果的基础上,对未来干旱形成机制及其灾害风险科学研究进行了展望,提出了5个重点研究方向:(1)多因子联动及其多尺度叠加效应对干旱形成的影响;(2)系统整合人类活动和决策以及相关反馈的气候模式研究;(3)揭示陆-气耦合和大气环流协同作用对干旱的影响;(4)认识干旱灾害对粮食安全和生态安全影响的关键过程;(5)提高不同气候情景下干旱预估的准确度。

中医筋骨理论中筋与骨的关系内涵探讨

中医骨伤科学具有鲜明的特色,其中筋骨理论对指导临床具有重大的意义。筋骨理论是中医骨伤科学的经典理论,但筋骨理论散在记载于各经典中,筋与骨内涵关系尚未有系统的阐述,尤其是生理、病理、治疗原则上的关系均为零散阐述。本文综合文献认为筋骨理论筋与骨内涵关系主要表现在:生理上相辅相成,体现为筋骨和合、骨正筋柔、筋强骨壮、筋骨互用等;病理上相互影响,体现为筋弛骨痿、筋滞骨错、骨错筋挪、骨断筋离等;治疗上同辨同治,体现为:理筋正骨、筋骨并重、筋骨平衡、调衡筋骨、根源同治等。骨伤临床实践遵循筋骨理论的指导原则,无论内治或外治,均需要辨病辨证结合,同时“辨骨、辨筋”相结合。