基于细观解析模型的铁路有砟道床力学特性研究

有砟道床是由碎石道砟组成的一种散粒体结构,道砟颗粒之间的相互作用影响道床结构整体的力学特性。为研究道砟层内部的荷载传递和沉降规律,探明列车行驶过程中道床服役状态演变的机制,基于有限元ABAQUS平台软件,通过编制内部子程序对Chang-Hicher模型进行二次开发,开展道砟集料的常规三轴试验以及碎石道床动力特性试验的数值模拟,从静、动力学角度阐明利用细观解析本构模型模拟道砟力学特性的可行性。进一步利用该模型研究高速列车荷载下道床的动态力学行为,从宏观层面探讨道床不同区域的沉降特征,从细观层面运用玫瑰图来分析道砟间接触力的分布情况和变化规律,分析行车速度和轴重等控制因素对接触力和位移的影响。研究结果表明,列车行驶过程中,荷载作用下方道砟的接触力整体水平最高、枕盒中心处次之,轨枕中心处最小,而这些区域内道砟的竖向位移变化基本相同;行车速度和轴重对道砟间接触力和道床下沉量均呈现正相关关系。

阻尼模型的力学机制及对钻柱动力学特性的影响

钻柱动力学特性模拟中普遍采用Rayleigh阻尼模型来反映阻尼(包括钻井液阻尼)的作用,但很少关注选用该模型的合理依据,且其阻尼系数主要依赖经验确定.首先,在考虑非线性和钻井液阻尼作用的基础上建立了钻柱动力学有限元模型,实现钻柱动力学特性的模拟,然后,研究较为典型的Rayleigh阻尼模型、Caughey阻尼模型、Clough阻尼模型的力学机制及其内在联系,并基于实际算例研究3种阻尼模型对钻柱动力学特性的影响,比较不同阻尼模型下钻柱的横向位移、横向加速度、以及涡动轨迹和涡动速度.结果表明,l取−2∼1时的Caughey阻尼模型的阻尼值偏小,未能起到阻尼的黏滞作用,而l取其他数值时阻尼值又过大,可见取4项的Caughey阻尼模型并不适用于钻柱动力学模拟计算.Rayleigh阻尼模型和Clough阻尼模型可以有效反映钻井液的阻尼效应,所得钻柱动态特性比较贴合实际振动情况,但前者形式简洁,便于计算,更适用于目前钻井工程中的钻柱动力学模拟.

基于特性的牵引车-半挂车刚柔组合车架动力学模型研究

商用车较大的车架柔性会影响到整车的操纵稳定性和乘坐舒适性,尤其是在共振时车架柔性会放大对车辆运动品质的影响。为实时模拟牵引车-半挂车的车架运动,采用基于总成特性的建模技术路线,根据运动响应频域将车架运动解耦为低频刚体运动和高频柔体运动,并将车架模型模块化划分为基于多体动力学的刚体车架模块、基于模态综合法的柔体车架模块,然后将两模块求解结果叠加形成刚柔组合车架模型。最后,将车架模型嵌入牵引车89DOF-半挂车73DOF整车模型中,针对某款商用车进行仿真,通过对比实车场地试验结果,验证了模型的有效性。

基于动力学模型的手术器械夹持力估计研究

手术器械夹持力估计问题一直是微创手术机器人手术器械研究的重点。在微创手术过程中,夹持力过大会造成组织损伤,夹持力过小会使缝合针等脱落,引发危险。因此,研究如何估计手术器械夹持力是非常有必要的。根据手术器械的结构特点,提出了一种基于动力学模型的夹持力估计方法。建立的模型考虑了手术器械动力学模型、丝传动系统力和位移传递特性和直流电动机特性,得到了手术器械电动机电流和夹持力之间的关系;通过Matlab对夹持力模型进行仿真验证,得到了手术器械末端执行器随电动机电流变化的夹持力变化曲线。仿真结果表明,基于动力学模型的手术器械夹持力估计模型与实际情况相符,为后续的手术器械夹持力安全保障研究提供了理论依据。

胚胎形态动力学参数在胚胎整倍体预测模型构建中的应用研究

目的:基于胚胎形态动力学参数建立整倍体预测模型,为辅助生殖技术中胚胎发育潜能的评估提供参考。方法:回顾性分析2020年12月至2023年6月接受胚胎植入前遗传学检测患者的临床资料,共纳入364个周期的1383个可利用囊胚。根据囊胚整倍性分为整倍体组(442个囊胚)和非整倍体组(941个囊胚)。比较两组胚胎形态动力学参数,并进行多因素logistic回归分析,构建整倍体预测模型,采用ROC曲线分析整倍体预测模型的灵敏度和特异度。另选取2023年7月至2024年4月纳入的215个周期的658个可利用囊胚的形态动力学参数资料进行临床验证,分析预测模型与临床实际的一致性。结果:整倍体组的t4、t5、s2、形成囊胚时间(tSB)、囊胚孵出时间(tHB)、tHB-tSB均小于非整倍体组(P<0.05)。logistic回归分析显示,t4、t5、s2、tSB、tHB、tHB-tSB为囊胚整倍性的影响因素(P<0.05)。整倍体预测模型:P=e x/(1+e x),X=-3.299-0.026×t4-0.018×t5-0.264×s2-0.009×tSB-0.007×tHB-0.153×tHB-tSB。Hosmer-Lemeshow拟合优度检验显示整倍体预测模型的拟合水平较好(χ^(2)=8.700,P=0.368)。整倍体预测模型的ROC曲线下面积为0.871(95%CI=0.852~0.889,P<0.001),灵敏度为75.86%,特异度为82.11%。临床验证整倍体预测模型的准确率为79.94%,预测模型与临床实际的一致性中等(kappa=0.561)。结论:胚胎形态动力学参数t4、t5、s2、tSB、tHB、tHB-tSB与整倍体形成具有相关性。本研究基于胚胎形态动力学参数构建的整倍体预测模型对胚胎整倍性具有较高的预测价值,可为胚胎发育潜能的评估提供参考。

个性化头部生物力学模型的开发及验证

本文提出了一种个性化头部生物力学模型建模方法,并对所生成模型进行了有效性验证。该方法以图斯特50th百分位头部生物力学模型为基础,基于目标模型头部CT数据,采用三维点云配准和自由网格变形法,实现具有详实脑组织结构的个性化头部生物力学模型的快速建模。通过重构经典尸体试验,发现该方法构建的个性化头部生物力学模型在运动学和生物力学响应方面与尸体试验结果高度一致,且与通过逆向工程方法开发的头部生物力学模型并无明显差异,验证了本文方法所开发模型的有效性。因此,本文方法可用于快速构建具有详细解剖学结构的个性化头部生物力学模型,为损伤生物力学、临床医学和法医鉴定等领域的数字化需求提供基础计算分析工具。

血清D-二聚体消除动力学模型构建对静脉血栓栓塞的预测价值

目的构建血清D-二聚体消除动力学模型并分析其对静脉血栓栓塞的预测价值。方法回顾性分析2020年1月至2022年12月于同济大学附属妇产科医院妇科或产科进行抗凝治疗的79例患者的临床资料,收集D-二聚体浓度及相关临床资料,使用非线性混合效应模型法估算D-二聚体的清除动力学模型参数。结果血栓形成时D-二聚体初始浓度典型值为3.73 mg/L,D-二聚体符合二级消除动力学模型,癌症患者的D-二聚体消除速率较慢。结论抗凝治疗期间D-二聚体清除动力学个体差异较大,可使用模型预测患者D-二聚体降至阴性的时间,为临床提供参考。

基于系统动力学模型的郑州市水资源承载力动态模拟

水资源问题制约着缺水城市的可持续发展,近年来郑州市社会经济高速发展,其水资源有限的现状与用水需求快速增长之间的矛盾愈加凸显。为科学研究郑州市水资源承载力远期发展情况,根据郑州市经济社会现状的水资源供需和发展状况,采用多系统综合的系统动力学方法(System Dynamics,SD),结合水资源、生态、经济社会、水利工程四个子系统,构建郑州市水资源承载力研究的SD模型。将2010-2019年的历史数据与SD方法的模拟数据进行比较,平均误差均小于10%,具有较高的可信度,可用来预测郑州市未来的水资源承载力发展情况。在此基础上,通过设定现状延续、控污节流、开源控污和开源节流4种不同方案,对2020-2030年水资源承载力系数进行动态模拟预测。结果表明:2030年4种方案下的水资源承载力系数分别为1.24、1.18、1.00、0.89,现状延续和控污节流方案下的郑州市水资源承载力随着时间的推移呈现严重超载状态,无法承载郑州市经济社会的快速发展;开源控污方案在预测期内的水资源承载力超载状态会对经济社会发展产生较大阻力。故开源节流方案为最佳方案,水资源承载力系数小于1,在研究期内未出现超载状态,可有利缓解郑州市的缺水状况,促进经济社会的发展。结合4种方案的优点,提出有利于郑州市水资源可持续发展的建议与对策。

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明:随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。

大别山板栗片热泵干燥特性及动力学模型分析

为了研究大别山板栗片热泵干燥过程和特性,建立其干燥动力学模型,并优化干燥工艺以提高干燥后的品质,以大别山板栗为研究对象进行热泵干燥动力学研究,通过对7种常用干燥模型线性化处理,筛选适合用来描述板栗片热泵干燥特性的数学模型,并利用试验数据与模型进行回归拟合,确定并建立最适合的数学模型。结果表明:Page模型的预测值曲线和实测值曲线高度吻合,Page模型可用来描述板栗片热泵干燥过程中水分的变化规律。研究结果可为板栗片实际生产中的热泵干燥加工提供一定参考。

冻融循环下玄武岩纤维混凝土冲击力学性能预测模型

冻融循环下纤维混凝土的劣化规律是寒区服役混凝土工程安全性和耐久性评价的重要依据,现有服役混凝土工程的安全性和耐久性评价的研究具有工作量大、成本高、周期长等特点,构建基于机器学习的高精度力学性能预测模型已成为本领域研究热点。为探究冻融循环后玄武岩纤维混凝土冲击力学性能的高精度预测模型,采用SHPB装置对冻融循环后BFRC开展动态冲击压缩力学性能试验,并构建机器学习-Optuna混合预测模型,对60组以玄武岩纤维体积掺量、冻融循环次数、动荷载冲击速度为影响因素建立的动态峰值应力样本数据集进行预测。结果表明:k近邻、Lasso、多层感知机、极度梯度提升树和随机森林5种经典机器学习模型的预测准确度均较高,说明机器学习算法对于冻融循环后BFRC动态力学性能预测具有良好的预测效果,其中随机森林算法为最优预测算法;RF-Optuna混合预测模型显示出0.9754的拟合优度,具有良好的预测精度;非数据集工况预测表明,该混合模型对于各影响因素均具有良好泛化能力。研究成果可为冻融循环条件下BFRC动态力学性能的快捷精准预测提供参考。

基于优化动力学模型的路径跟踪控制研究

针对一般路径跟踪模型预测控制器在高速大曲率工况下适应性差的问题,提出了一种基于优化动力学模型的自适应预测时域控制策略。首先,为解决经典动力学模型在较高侧向加速度工况下精度不足的问题,建立了包含侧倾转向和变形转向特性的优化模型,实现了车辆状态的较高精度预测;其次,为解决高速大曲率工况下固定预测时域控制效果不佳的问题,提出了基于二维高斯函数的自适应预测时域策略,以低算法复杂度实现了预瞄距离的实时调整;最后,通过CarSim/Simulink联合仿真实验验证了控制器在双移线道路上的控制效果,结果表明,横向位置峰值误差降低45.1%,横摆角峰值误差降低72.4%,设计的控制器对极限工况有更好的适应性。

移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

混合边界护顶层力学模型及应用

对于直接顶板稳固性较差的矿山,通常需留设护顶层以防止直接顶板的垮塌。为了保证矿山的安全开采,确定合理的护顶层厚度至关重要。针对房柱法开采的采空区顶板进行结构力学解析,将护顶层视作四边中部自由其余部分固支的薄板,即混合边界薄板;利用功的互等法推导出混合边界薄板的挠曲面方程,构建混合边界护顶层力学模型,在此基础上得到护顶层安全厚度的计算公式。将混合边界薄板与四边固支薄板的变形情况进行对比时发现,混合边界薄板的挠度整体大于四边固支薄板挠度,混合边界自由段长度与最大挠度值呈正相关。将理论分析和数值模拟结合应用在某铝土矿No.9采场上,确定了护顶层安全厚度为1 m,验证了力学模型的准确性。

冻结黏土单轴动态力学特性及本构模型研究

为研究动载荷下冻土破坏特性,利用SHPB试验系统开展应变率300s^(-1)~1000s^(-1)、含水率13%~22%冻土单轴动态冲击试验,并建立本构模型描述单轴冻土动力学响应行为。结果表明:(1)应力-应变曲线可以分为压密阶段、弹性阶段、塑形阶段和破坏阶段,应变率高于700s^(-1)时应力-应变曲线出现明显振荡;(2)抗压强度和弹性模量整体上与应变率呈正相关趋势,但应变率高于900s^(-1)时抗压强度增长速度减缓甚至负增长。最大应变与应变率呈一次函数关系,含水率对最大应变无影响;(3)结合Weibull统计分布、D-P准则以及Z-W-T方程并引入含水率项,建立能考虑不同含水率冻土损伤黏弹性本构模型,验证模型可靠性(R^(2)>0.90)。为冻土工程设计与施工提供一定参考。

溶蚀作用下层状灰岩力学模型研究

【目的】层状灰岩的不同层面会表现出不同的力学特性,为了研究溶蚀作用下不同层面倾角的层状灰岩力学特性影响规律,确立溶蚀作用下横观各向同性应变软化模型对溶蚀作用下层状灰岩力学特性进行描述。【方法】首先,采用横观各向同性应变软化模型来描述无溶蚀作用下层状灰岩平行和垂直层面的力学特性,并结合对0°、30°、60°和90°四个层面倾角的层状灰岩单轴压缩试验结果的整理分析,得到无溶蚀作用下平行和垂直层面的层状灰岩核心参数,即弹性模量、黏聚力和内摩擦角等;然后,基于溶蚀作用下层状灰岩力学发生改变机制分析,确定溶蚀作用下层状灰岩的塑性力学模型;最后,结合溶蚀作用下层状灰岩单轴压缩力学试验结果,采用FLAC—强度折减法联合求解确定溶蚀作用下层状灰岩力学模型中力学参数(弹性模量、黏聚力)随溶蚀作用的变化规律。【结果】结果显示,溶蚀等效时间和卸载应变(裂纹发育程度处卸载应变)对不同层面倾角层状灰岩力学特性影响不同,溶蚀等效时间对层面倾角为0°的层状灰岩参数影响最大,卸载应变对层面倾角30°时的层状灰岩参数影响最大。表现为溶蚀等效时间对基质黏聚力c2的影响大于层面黏聚力c1,卸载应变对c1影响大于对c2的影响。【结论】结果表明,横观各向同性应变软化模型能较准确地获取层状灰岩不同层面倾角力学强度参数与溶蚀作用之间的变化关系式,较好地表征溶蚀作用下不同层面倾角层状灰岩力学特性,可为岩溶地下洞室围岩稳定性分析提供理论基础。

基于系统动力学模型的中国民航脱碳路径研究

为实现民航业长期脱碳发展目标,通过建立考虑供需关系、技术应用、减排成本和政策支持的中国民航脱碳系统动力学(SD)模型,剖析系统多重反馈机理和要素间协同作用关系,对民航业减排路径的实施效果和减排成本进行情景模拟和探讨。结果表明:行业实施节能技术进步、替代燃料应用、新动力能源推广、碳抵消机制和高铁替代等单一政策模拟方案无法实现行业的碳中和式长期发展目标。多种措施的组合政策为行业脱碳发展提供最优的综合脱碳方案。未来行业应在短期内积极推广可持续航空燃料(SAF)规模化应用,中期加大对于氢能、电能、混合动力飞机的研发引进,积极采用高铁替代等综合交通方式,长期持续改进行业节能减排技术水平,推动民航业纳入全国碳市场。研究结果可为民航部门可持续发展提供政策制定参考,助力行业深度脱碳化发展。

非堆积型多颗粒阻尼器等效力学模型及其减振性能分析

为考虑颗粒群碰撞过程中时间效应对非堆积型多颗粒阻尼器(non-packed particle damper, NPPD)减振性能的影响,在现有考虑惯容的等效单颗粒力学模型(equivalent inertia single-particle model, EISM)研究基础上,提出了基于接触单元法的等效单颗粒力学模型(equivalent inertia single-particle model based on contact element method, EISM-CE),并基于Runge-Kutta算法建立了NPPD单自由度结构运动状态求解算法。设计进行附加NPPD单层钢框架结构振动台试验,探究不同填充率对结构顶层位移频响曲线的影响规律,提出了EISM-CE参数取值原则,进而进行力学模型试验验证及模型对比分析。在模型验证合理性基础上,基于EISM-CE依次进行了自由振动、简谐激励及记录强震动下减振性能及能量变化规律分析。研究结果表明,与现有EISM相比,提出的基于接触单元法的EISM-CE模型及参数取值原则更加合理有效。减振性能数值分析结果表明,不同激励下NPPD均具有较好的减振性能;考虑碰撞时间效应后EISM-CE与EISM对应减振性能及机理分析结果存在一定的差异。

手机成瘾动力学模型的定性分析

根据手机用户不同群体之间的人员转移关系,文章构建了一个手机成瘾动力学模型.首先,计算了模型的基本再生数和两个平衡点.其次,证明了在一定条件下,非负平衡点和唯一正平衡点是全局渐近稳定的.最后,用数值算例验证了相关结论的正确性.

基于力学机理的贝叶斯动态线性岩质边坡变形预测模型研究

考虑岩质边坡变形的力学机理,将边坡变形分解为弹塑性损伤变形、粘弹性变形、周期波动及观测误差等分量,以Bayesian动态线性模型理论为基础,建立了基于力学机理的边坡变形动态演化预测模型。模型以边坡岩体力学参数为系统控制变量,应用Bayesian推断,通过观测数据及相关信息,估计其动态演化规律,并以此预测边坡变形。通过对某水电站边坡位移监测数据分析表明:监测点处边坡变形主要为弹塑性损伤蠕变,监测初期,岩体迅速损伤,变形15天后进入加速蠕变阶段,与现场巡查结果一致。