CM弹塑性本构模型在FLAC^(3D)中的二次开发

显式有限差分程序FLAC3D由于自带的本构库多样性不足,无法统一描述超固结和结构性这两种自然界土体典型力学特性的本构模型.为了扩大FLAC^(3D)应用范围,更精确地模拟土体力学特性,本文基于其自带的二次开发平台,使用C++语言对交变移动(Cyclic Mobility,CM)弹塑性本构模型进行二次开发.首先推导该模型的基本公式;然后介绍FLAC^(3D)的工作原理和关键开发步骤;再通过不同应力路径下的测试,对比FLAC3D模拟值和该本构的理论值,验证开发的正确性;最后通过对一维固结试验数据、三轴排水压缩试验数据和不排水三轴循环加载试验数据的模拟,验证了二次开发模型能较好地模拟土体的力学行为.

基于3dxml格式的3DEXPERIENCE平台至FLAC^(3D)模型转换研究

为研究3DEXPERIENCE和FLAC^(3D)两款在不同领域作为设计工具的软件如何有效协同工作的问题,基于3dxml文件特征及网格模型生成技术,提出一种从几何模型至网格模型的转换方法。该方法包括对文件格式解析和数据结构进行映射,以保证3DEXPERIENCE平台模型中的几何形状和属性能够被正确存储;利用网格生成技术,生成了满足FLAC^(3D)仿真要求的网格模型,并编写自定义程序来完成转换功能。在实际应用中,分别以某水利工程大坝和大体积洞库为例,成功将3DEXPERIENCE平台的几何模型转换成FLAC^(3D)的网格模型。结果表明:该转换方法实现解析CAD几何模型、数据结构映射、生成四面体网格模型和文件保存等功能,完成3DEXPERIENCE平台至FLAC^(3D)模型的转换任务,从而简化水利工程设计及科学研究工作流程;与3DEXPERIENCE自有网格剖分程序相比,使用自编程序转换,可以在局部区域进行网格加密,使节点和单元数量增加了近5倍,更适合数值模拟计算。研究成果对CAD/CAE工具的协同工作以及提升水利工程设计工作效率具有重要的实用价值。

肾及肾上腺肿瘤高仿真3D打印模型在泌尿外科住院医师规范化培训教学中的应用效果

目的探讨肾及肾上腺肿瘤高仿真3D打印模型在泌尿外科住院医师规范化培训教学中的应用效果。方法将40名参加泌尿外科住院医师规范化培训的医师随机分为试验组和对照组,每组20名。收集肾及肾上腺肿瘤的CT影像资料,打印成高仿真3D模型。给予对照组传统教学,给予试验组传统教学联合高仿真3D打印模型教学。教学结束后,比较两组医师的理论知识考核成绩和对教学方法的评价。结果试验组医师的理论知识考核成绩,以及学习兴趣、解剖认识、知识记忆、医患沟通、临床思维、教学满意度条目得分高于对照组(P<0.05)。结论高仿真3D打印模型可以直观展示肾及肾上腺肿瘤的立体解剖结构,有助于加深医师对相关知识的理解、记忆,提高教学质量,是一种有效的教学方法。

3D打印模型结合翻转课堂在脊柱外科微创培训中的应用

目的探讨翻转课堂联合3D打印模型教学在脊柱外科微创培训中的应用效果。方法选择2020年5月—2022年5月在浙江大学医学院附属第二医院脊柱外科微创中心进修的42名学员为研究对象,随机分为研究组和对照组,研究组21名进修学员采用翻转课堂联合3D打印模型教学,对照组21名进修学员采用单纯翻转课堂方法进行授课讲解。2组学员分别进行了出科考试测验和满意度问卷调查。结果2组进修学员培训前检测成绩、微创理论知识成绩,差异无统计学意义(P>0.05)。研究组学员在培训结束后其出科脊柱微创临床知识成绩及微创基本技能操作、微创手术技巧提高和总体满意度均高于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论应用3D打印模型教学结合翻转课堂可明显提高脊柱外科进修学员的学习质量和总体满意度,提升脊柱微创培训的效果。为脊柱外科微创培训的一种新型教学模式。

自适应组合滤波算法在3D假肢模型中的应用

针对经典统计滤波算法无法自适应选取参数以及传统双边滤波算法难以兼顾保特征和光顺性的问题,提出一种自适应组合滤波算法。首先引入基于局部点云体积的自适应标准差倍数以灵活滤除假肢点云大尺度噪声;在滤除大尺度噪声的基础上,引入一种新的协方差矩阵加权方式,提高估计点云法向的准确性,并通过法向夹角变化程度的均值对特征权重因子进行改进,增强双边滤波因子的保特征性,旨在光顺三维假肢模型小尺度噪声。与单独使用统计滤波、双边滤波相比,所提算法在3个假肢模型的最大误差E_(max)至少降低了5%;平均误差E_(ave)至少降低了6.9%。仿真结果表明,该改进算法在有效剔除假肢模型大尺度噪声的同时又避免了过光顺和去噪不彻底,可以较好地保持模型中的几何特征。

3D模型重建技术结合思维导图在肝胆胰脾外科护理临床教学中的应用

目的探讨3D模型重建技术结合思维导图在肝胆胰脾外科护理临床教学中的应用价值。方法选取63名肝胆胰脾外科护理专业实习生作为研究对象,将其随机分为观察组(n=32)和对照组(n=31)。对照组予传统教学模式教学,观察组予3D模型重建技术结合思维导图法教学。对比两组理论考试成绩、操作考试成绩、综合评价分数及教学满意度。结果观察组护理专业实习生理论考试成绩、操作考试成绩、综合评价分数均明显高于对照组(均P<0.05)。观察组护理专业实习生对教学非常满意度的比例高于对照组(P<0.05),但观察组总体满意度(96.87%)与对照组(83.87%)差异无统计学意义(P>0.05)。结论在肝胆胰脾外科护理临床教学中应用3D模型重建技术结合思维导图的教学方法,能够有效缩短护理专业实习生的学习时间,加深其对理论知识的理解,促进其熟练掌握操作技能,提升实践动手能力和专科护理书写能力,提升教学质量,具有良好的推广前景。

3D打印模型结合模拟教学在骨科实习教学中效果研究

目的:探讨3D打印模型结合模拟教学在骨科实习教学中作用。方法:42名实习医生均完成医学本科阶段理论学习,通过实习前准入资格考核。入科实习后按1:1比例随机分为两组,对照组进行常规实习带教教学,模拟教学组采用3D打印骨折模型的模拟教学进行实习带教。分析比较两组学生教学效果差异。结果:实习培训后,模拟教学组学生理论成绩、病史采集、体格检查、技能操作评分显著高于对照组(P<0.05);模拟教学组学生满意度评分明显高于对照组(P<0.05)。结论:3D骨折模型结合模拟教学方法能够有效提高骨科实习教学效果,提高实习生学习满意度,值得临床推广。

基于机器学习模型FY⁃3D MWRI海面风速反演

风云三号D星(FY-3D)微波成像仪(MWRI)L1级亮温数据可用于全球海面风速反演,本文讨论了在晴空区和云区使用多元线性统计回归模型和机器学习模型反演海面风速的情况,在晴空区将4 d测试集分别放入多元线性统计回归模型,采用随机森林(RF),支持向量回归(SVR),卷积神经网络(CNN)和Stacking融合(SF)模型对海面风速进行反演,最优的均方根误差(RMSE)分别为1.56、1.31、1.24、1.29和1.27 m/s;在云区2 d测试集上的最优RMSE分别为2.12、1.98、1.87、1.89和1.89 m/s。为了进一步验证晴空区海面风速反演的可靠性,选取美国国家浮标数据中心(NDBC)实测的浮标风速对海面反演风速进行验证,CNN反演风速与NDBC实测风速的RMSE为0.74 m/s,决定系数(R^(2))为0.80;SF反演风速与NDBC实测风速的RMSE为0.85 m/s,R^(2)为0.74。结果证实了通过机器学习模型能够很好地完成FY-3D MWRI亮温反演全球海面风速的任务。

基于3D打印模型的案例教学方法在气管插管教学中的应用

目的探讨基于3D打印模型的案例教学方法(case-based learning,CBL)在气管插管教学中的应用效果。方法采用整群抽样方法,选取2019年1月—2022年1月在浙江省丽水市人民医院进行临床实习的温州医科大学2015级、2016级、2017级五年制临床医学专业80名学生为研究对象。采用随机数字表法,将80名学生分为试验组和对照组,每组40名学生。试验组学生采用基于3D打印模型的案例教学方法,对照组学生采用传统教学方法。教学结束后,通过理论知识、操作技能考核成绩和问卷调查结果,比较两组学生各自教学方法的实施效果。两组学生按照不同级次分批进行教学和考核。结果理论知识考核结果显示,试验组学生成绩[(45.23±2.66)分]优于对照组学生[(40.94±3.41)分],其差异具有统计学意义(P<0.05);操作技能考核结果显示,试验组学生成绩[(48.26±2.33)分]优于对照组学生[(42.89±3.25)分],其差异具有统计学意义(P<0.05)。问卷调查结果显示,在学习兴趣、学习效率、主动的互动、知识掌握程度、总体教学满意度5个方面,试验组学生的评分均高于对照组学生,其差异均具有统计学意义(均P<0.05)。结论基于3D打印模型的案例教学方法,与传统教学方法相比,可以为学生带来全新的立体视觉感受和模拟体验,有助于提高学生的学习兴趣和效率,有助于学生将理论知识和操作技能掌握得更加牢固,教学满意度更高,值得进一步深入研究与推广应用。

3D打印模型联合PBL教学法在脊柱肿瘤教学中的应用研究

目的 探讨3D打印模型联合以问题为基础的教学法(problem-based learning,PBL)在研究生脊柱肿瘤临床教学中的应用效果。方法 纳入2022年3月至2023年3月,在首都医科大学附属北京天坛医院骨科参加规范化培训的研究生32名作为研究对象,分为试验组(n=16)和对照组(n=16)。试验组采用PBL与3D打印模型相结合的脊柱肿瘤教学模式,对照组同样采用PBL教学模式,但仅使用常规解剖模型进行讲解。分别对2组学生进行脊柱肿瘤专业理论考核及临床技能考核,通过问卷获得学生的教学满意度调查。结果 试验组学生的考核成绩中位数为92.0(90.0,93.0)分,高于对照组学生的87.5(85.3,90.8)分,差异有统计学意义(P <0.05)。试验组学生的教学满意度高于对照组学生,差异有统计学意义(P <0.05)。结论 基于3D打印模型和问题导向型学习PBL的研究生脊柱肿瘤教学改革研究,能够更好调动研究生学习主动性,提升学生骨科专业理论知识成绩、产生更好的教学效果和反馈。

基于SURPAC的复杂地质体FLAC^(3D)模型生成技术

针对FLAC3D软件在复杂地质体模型构建及单元网格划分等前处理问题上存在的不直观、工作量大等不足,提出了一种新型的基于SURPAC软件的直观、快速的FLAC3D模型生成技术。在利用SURPAC软件构建地质体块体模型的基础上,将模型以数据文件的形式输出,然后对输出的数据文件运用ACCESS数据库进行处理,形成FLAC3D命令流,再将命令流调入FLAC3D软件中执行,从而实现了FLAC3D的直观、快速建模。该建模方法在广西大厂铜坑矿的空区稳定性分析建模中得到了实际应用,结果表明该方法是完全可行的和有效的。

基于SURPAC的FLAC^(3D)三维模型自动构建

为了将岩土工程分析软件FLAC3D在数值计算方面的独特优势和矿山工程软件SURPAC在三维建模方面的优势相结合.研究了2种软件单元数据之间的关系,提出数据之间的转换方法;采用Fortran语言编制了SURPAC-FLAC3D的接口程序,并通过某大型铁铜矿区建模实例说明程序实施的具体步骤.结果表明:提出的转换方法以及相应的接口程序能够实现SURPAC模型到FLAC3D模型的转换,使FLAC3D建模快捷化,拓展了FLAC3D和SURPAC的应用空间.

InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型在排水体系中点源污染溯源研究

城市排水的点源污染是引起黑臭水体的重要原因之一,该研究借助多元监测体系获得的水质数据,结合InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型及差分进化算法(DE)构建了污染溯源模型。以中山市某区域为研究对象,验证了耦合模型与DE算法对污染溯源的有效性。研究表明,连续排放污染源的位置、流量、污染物浓度的溯源精度较高,相对误差均在±0.12的范围内,并且污染溯源精度随着污染源流量增大而下降;随着污染流量增大,瞬时排放污染流量与浓度溯源的相对误差逐渐减小,模型对高流量污染事件的溯源精度较高。该模型体系的构建和应用为城市排水点源污染的溯源提供了科学指导。

3D打印仿真腭裂模型在腭裂实践教学中的应用

口腔颌面外科学作为口腔医学教育的重要组成部分,腭裂整复手术是其核心内容之一。然而,传统的腭裂实践教学存在诸多问题,如乏味枯燥、实验模具二维平面化、实验操作真实性差等。近年来,随着3D打印技术的发展,基于数字化技术实物模拟打印为腭裂实践教学提供了新的解决方案。本文结合现有研究成果,针对3D打印仿真腭裂模型在腭裂实践教学中的应用进行了综述和探讨。首先分析了传统教学方法的局限性,然后详细介绍了3D打印仿真腭裂模型的优越性,包括强化学生手部精细操作和手眼协调能力、助于理论知识和临床实践紧密结合、显著提高学生临床技能等方面。接着,阐述了3D打印仿真腭裂模型在腭裂实践教学中的应用,包括手术技巧训练、解剖学教育、个性化学习和评估等方面。最后,总结了3D打印仿真腭裂模型在腭裂实践教学中的重要作用,并展望了其未来的发展前景。综上所述,3D打印仿真腭裂模型在口腔颌面外科学教学中具有巨大的潜力,将为口腔医学教育带来革命性的变革和提升。

3D打印实物模型在颈椎疾患住院医师规范化培训教学中的应用和探讨

目的探讨3 D打印实物模型在提高颈椎疾患住院医师规范化培训(简称住培)教学效果中的作用。方法选取参加骨科住培的颈椎疾患学习的住院医师80名为研究对象,随机分为两组,观察组(40人)以幻灯讲解加3 D打印实物模型教学,对照组(40人)采用幻灯讲解教学。课后即时和课后1月分别对住院医师的知识掌握情况和诊疗技术进行现场测试,利用问卷的形式对住院医师的满意度和参与兴趣(10分法)进行调查。结果课后即时观察组的知识掌握情况和对照组相当(P>0.05),但是观察组的诊疗技术测试成绩显著高于对照组(P<0.05),观察组的满意度和参与兴趣评分均显著高于对照组,两者对比差异有统计学意义(均P<0.05);课后1月时,观察组的知识掌握情况和诊疗技术测试成绩均显著高于对照组(均P<0.05)。结论3 D打印实物模型应用于颈椎疾患住培的带教中,可显著提高教学效果,提升住院医师的满意度和参与兴趣,值得在住培教学中推广。

FLAC^(3D)粘弹性模型的二次开发及其应用

针对FLAC3D(Version2.0)提供的粘弹性本构模型难以描述岩体变形随时间发展趋于稳定的现象,对FLAC3D的粘弹性模拟功能进行了开发,导出广义Kelvin模型的中心差分格式,并采用FLAC3D内嵌功能较强的FISH语言和FLAC3D的相关命令研制了广义Kelvin模型的接口程序。通过检验算例说明了开发思路和接口程序的正确性,同时还指出了二次开发时应注意的一些问题,并对基坑开挖进行了实例分析,结果符合基坑开挖变形规律。

基于FLAC^(3D)的节理岩体采动损伤本构模型的开发及应用

矿山开采沉陷是具有各种裂隙的岩体在采动应力作用下所发生的再变形和再破坏过程,裂隙随着开采的推进不断扩展。如果把矿山岩体原始裂隙看作是初始损伤,则可将随井工开采推进形成的裂隙扩展看作是损伤的演化。根据几何损伤理论中的裂隙张量和FLAC3D莫尔–库仑模型的塑性流动格式建立考虑初始损伤的节理岩体弹塑性本构模型的数值格式,在VC++开发环境中编写这种本构模型,供FLAC3D调用。通过一个单轴压缩数值试验对比,验证该模型应用于节理岩体的合理性。结合采矿工程实际,考虑初始损伤的演化,建立节理岩体采动损伤本构模型,对安家岭露天矿南端帮边坡下的井工开采进行数值模拟,得出露天煤矿台阶状边坡地表不同于平地地表的移动变形规律:台阶处的地表移动范围比平地处大;各级台阶处的变形比较集中。井工开采对上覆边坡岩体造成较大的扰动,不利于边坡的稳定:坡体地表出现安全度小于1的区域,坡体台阶受拉处安全度最小。模拟结果可为露井联采条件下井工开采设计和维护边坡稳定提供合理建议。

FLAC^(3D)中岩石能量耗散模型的开发与应用

岩石破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象,从能量角度描述岩石强度及变形行为是评价工程岩体安全和稳定性的有效途径之一。为增加能量理论模型分析工程问题时的适用性,准确描述工程岩体变形破坏全过程能量实时演化及分配规律,利用GCTS岩石力学试验系统,开展了常规单、三轴力学试验,结合能量守恒和有限差分理论,推导了岩石弹性能和耗散能的有限差分方程式,采用FISH语言编制了能量耗散模型的有限差分程序,实现了对FLAC^(3D)应变软化模型的二次开发,补充了软件能量计算模块。通过不同围压下岩石室内试验和数值模拟结果对比分析得到:开发的能量耗散模型能有效描述岩石峰后变形特征及破坏路径,可用于研究工程岩体峰后大变形行为,但对峰前压密和塑性变形阶段的描述需谨慎。利用开发模型进一步讨论了深部巷道变形破坏全过程围岩耗散能演化规律,结果表明围岩耗散能集中区与巷道主破坏位置基本吻合,依据耗散能密度可量化巷道围岩压剪破坏程度,评估峰后损伤围岩稳定性,有效弥补了传统采用塑性区定性判别巷道围岩变形破坏及其稳定性时的不足。岩石能量耗散模型在FLAC^(3D)中的应用,扩展了软件适用范围,研究成果不仅可准确定位工程岩体主破坏位置,同时依据耗散能分布密度可量化评估围岩稳定性,为巷道大变形预测预报及加固方案设计提供了一条新途径。

统一弹塑性本构模型在FLAC^(3D)中的计算格式

统一强度理论是一个有着坚实理论基础、可表达各种岩土材料强度特性且被广泛应用的新的强度理论。FLAC3D是一个具有强大的计算分析功能且专门针对岩土工程问题开发并被广泛应用的数值分析软件。若能将二者结合起来,无疑会大大促进岩土工程领域相关问题的解决。针对这一问题,研究了统一弹塑性本构模型在有限差分方法中应用的基本理论格式。根据FLAC3D软件中UDM接口计算格式的要求,将统一强度理论引入其中,详细推导了统一弹塑性本构模型在FLAC3D软件中应用的计算公式。由于统一屈服面在应力空间内由12个面组成,在应力角为[0,π/3]的范围内,统一屈服面由两个相交面组成,为计算塑性因子及处理计算中应力超出屈服面的应力调整问题,利用应力角分析了应力空间的分区,推导了区域分界面的公式。最后,编制了相应的UDM接口程序对一圆形隧洞进行了弹塑性分析,对比了计算结果与解析解,结果很好地验证了此计算格式及相应接口程序的正确性。统一强度理论和FLAC3D软件的结合,将使二者的优点得以充分发挥,以解决更多的岩土工程问题。

基于FLAC^3D横观各向同性模型的煤矿井田初始地应力场反演方法

大多数初始地应力场的反演均将对象岩体简化为各向同性弹性体,但是对于具有层状构造、倾角多变、力学性质方向差异较大的含煤地层,这样简化就会导致反演结果误差很大,同时这种多层交互岩体在计算建模、参数取值等过程中也存在难度。为了提高具有复杂地质条件的煤系地层初始地应力场反演精度,提出了基于FLAC^3D横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的地应力反演方法。同时为解决多层交互、倾角多变等煤系地层的计算建模、参数选取等问题,根据岩层交互规律、岩性特征,通过对复杂地层进行地质概化,建立与实际岩层基本一致的计算模型,进行数值试验,得到了用于数值计算的多层岩体等效力学参数。根据数值试验结果,建立了局部区域的横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的计算模型,利用偏最小二乘回归方法拟合地应力场并将地应力场精确加载至计算模型并实现力的平衡,最终完成初始地应力场的加载。结果表明,采用建立数值模型来计算各层岩体的等效力学参数的方法优化了建模过程,提高了数值计算效率。对比两种方法反演结果,采用横观各向同性模型进行计算更能体现具有层状构造的煤系地层力学性质的方向差异性,能有效提高局部区域的地应力拟合精度,其地应力反演结果更符合实测值。