基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

科学文献主题建模方法及其效果评估研究

[背景/意义]研究和对比不同主题建模方法在科学文献主题识别上的应用表现,对于合理选择使用主题建模技术开展科学文献主题挖掘具有重要意义。[方法/过程]通过构建中英文科学文献实验语料,选择3种主题建模方法(LDA、Top2vec、Bertopic)和5种文本特征计算方法(Bag of Words、TFIDF、Doc2vec、MiniLM、SciBert)进行中英文科学文献主题建模实验,并对不同建模结果的主题多样性、主题一致性、主题稳定性和主题离散性指标进行对比分析。[结果/结论]不同建模工具的主题识别结果存在较大差异,其中LDA与Bertopic在英文和中文语料上识别出的主题中具有相似性关系的主题占比相对较高,但也仅为9.81%和7.46%;基于Doc2vec算法的Top2vec模型在主题多样性指标上的表现相对最优;基于文本预训练算法的Top2vec模型和Bertopic模型的主题稳定性和离散性指标优于传统主题建模方法。针对大语言模型技术的快速发展和广泛应用,加快推进科学文献预训练模型研发,并将之应用于科技情报业务实践是当前的重要研究方向。

三维建模技术在服装设计中的应用

应用三维建模技术进行虚拟服装的设计制作实践,利用Style3D系统生成的数据文件指导实物样品服装的制作。总结三维服装技术在服装设计制作中的作用及优势,优势主要体现在提升服装生产制造阶段的效率,达到降本增效的目的,具有一定的指导价值。

数控磨床电控系统可靠性建模与评估研究

电控系统作为数控磨床关键子系统之一,尚未有学者对其开展可靠性建模与评估研究。文章对北京第二机床厂提供的MKS型数控磨床电控系统故障数据进行预处理,并绘制概率密度散点图,发现图像趋势符合威布尔分布或指数分布,再利用最小二乘法进行参数估计,经模型检验后引入灰关联度进行模型优选,确定电控系统故障数据所属分布模型为指数分布。最后计算了电控系统平均故障间隔时间MTBF、平均维修时间MTTR和固有可用度A_(inh)。评估结果已反馈给厂家并获得认可,对提升数控磨床整机的可靠性水平有重要意义。

基于无人机倾斜摄影测量三维建模的区域黄土滑坡识别及特征分析

【研究目的】黄土滑坡是黄土地区人居与城镇建设安全的重大隐患。滑坡识别是滑坡灾害及其他研究工作的基础,因此基于无人机倾斜摄影测量三维建模从不同维度、不同视角直观快速地识别黄土滑坡并进行特征参数提取,能够为黄土滑坡风险识别及风险管理精细化研究提供技术支撑。【研究方法】以宁夏回族自治区固原市彭阳县红河镇西南部的黑牛沟村为研究区,采用无人机倾斜摄影测量数据获取、三维建模、现场验证结合地统计学分析,开展了区域黄土滑坡识别及其特征参数提取和分析。【研究结果】基于三维实景模型确定并分析研究区沟谷沿线地貌凹陷区是否存在陡壁及其周界形态,结合色调、纹理和微地貌等标志实现了黄土滑坡识别,共圈定了23个滑坡,结合现场验证移除2个非滑坡点,最终确定了21个滑坡;滑坡密集分布在主沟和支沟沟口,多呈对滑的形式出现在沟谷两侧且具有群发性;大型及特大型滑坡占比达到57.14%,滑坡的滑动方向主要以西南(阳坡)、东南(半阳坡)为主,相对高差集中在80~120 m,滑坡体坡形多呈凹形坡,滑坡体坡度主要集中在20°~30°;滑坡体土地利用类型主要为植被,其次为裸地,也有一部分为农田,道路和河流占比极少。【结论】基于无人机倾斜摄影测量构建的三维实景模型可从多维度、多视角精确快速地识别区域黄土滑坡,并分析其相关特征参数,能够弥补当前二维平面遥感影像存在的不足;还能够为滑坡易发性、危险性、易损性及风险评估等相关研究提供数据支撑。

膝关节骨性关节炎轻症患者膝关节三维有限元建模及力学分析

目的:在缺少层厚较薄的CT和MRI数据的情况下建立膝关节骨性关节炎(KOA)轻症患者膝关节三维有限元模型,并研究胫骨平台内外侧的应力分布。方法:以一名患有轻度KOA的女性患者为研究对象,自盆骨至腓骨胫骨远端进行连续断层扫描。将得到的DICOM格式文件导入至Mimics软件中并通过阈值分割提取膝关节中的骨性结构,将提取出的骨骼进行蒙版编辑、空腔填充、区域增长等操作后导入3-matic中做光顺、包覆处理。在Geomagic Wrap将处理后的骨性结构使用网格医生检查,修复表面缺陷并拟合曲面。以轮廓延展的思路建立相关的软骨、半月板和韧带,并在SolidWorks中以原点重合的方式与骨性结构进行装配。接下来在ANSYS软件中定义材料、设置接触、划分网格、设置约束和载荷,分析在双腿站立下胫骨平台上的应力分布情况。结果:成功建立了包括骨性结构、软骨、韧带的完整膝关节模型。在双腿站立状态下,接触应力峰值约为1.21 MPa,位于胫骨平台内侧中部,胫骨平台外侧的最大应力为0.72 MPa,内外侧间室分别承担总载荷的62.7%和37.3%。结论:通过CT提取加软件绘制的方式建立了全膝关节模型,有限元分析结果符合临床预期,通过此方法建立的模型可靠,能进行后续的研究。

油气储层勘探建模技术新进展及未来展望

油气储层建模利用地质统计学等方法,综合测井、地质、地震等多学科信息,是油气田开发研究的利器,油藏地质模型可以将油藏各种地质特征在三维空间的变化及分布定量表征出来,是油气藏的类型、几何形态、规模、油藏内部结构、储层参数及流体分布的高度概括,储层地质模型是油藏地质模型的核心,可以对储层的沉积特征、非均质性、物性及流体等特征进行综合表征。但在勘探阶段,面对大尺度沉积体系和稀疏井网条件下的储层展布规律表征的建模难点为:①地质知识的量化表达问题,包括地质专家的经验认识如何数字化表征。②稀疏井网条件下无法直接用钻井资料对地质体的发育规模、展布方向和结构特征准确定量描述及构建地质模式,大尺度空间中复杂沉积体系无法用简单数学函数表征。③传统地质统计学等方法在勘探模型构建中如何实现地震、测井、地质、油藏等多维度数据的融合问题。因此,基于确定性建模和传统地质统计学等随机建模的储层建模理论和技术遇到极大挑战。笔者在系统剖析传统储层建模技术流程和方法的基础上,通过构建涵盖地质、测井、地震、分析化验等信息的多学科地学大数据知识库,开展多维数据凝聚层次聚类的沉积相模式库表征和基于生成式网络的智能建模,提出了多学科协同的油气储层勘探建模技术对策及技术体系,实现了构造、沉积及储层之间匹配关系的定量表征。该技术体系在东营凹陷北部陡坡带、洼陷带勘探部署中开展系统应用,构建融合古地貌、古物源、搬运通道、测井及地震属性等多信息的岩相、物性及油气运聚的地质模型,基于模型新范式指导部署井位,支撑了陆相断陷盆地复杂砂砾岩体、页岩油等勘探实践。笔者通过深度剖析东营凹陷北部陡坡带勘探建模实践难点及精度问题,进一步探讨了未来油气储层勘探建模技术发展趋势和应用前景。

射弹高速撞击下结构冲击响应建模方法

装备受到外界打击可能造成失效,以往的研究多集中在打击部位的损伤破坏,而对于打击引起的冲击波及其在装备内传播研究较少,而后者同样能够导致装备失效。本文针对结构在高速撞击下的冲击响应问题开展了建模方法研究,提出了结构在高速打击下的冲击源建模方法,并通过理论分析给出了建模方法的适用条件。利用传统的有限元技术,结合本文的冲击源建模方法,可以有效地对结构高速撞击下的冲击响应进行仿真,通过试验验证了方法的适用性。

变长分段直线感应电机数学建模

变长分段直线感应电机参数具有不连续、快速时变及强耦合特性,这给电磁暂态建模带来挑战。该文引入3种时变因子推导出具有参数时变特性的变长分段直线感应电机数学表达式。通过分析变长分段直线感应电机定子与动子的电磁耦合特性及时变因子与状态变量之间的耦合关系,建立定子、动子及时变因子相互解耦的数学模型。仿真结果表明,该数学模型计算的电压、电流和速度与有限元计算结果差别小于6%,验证了数学模型的准确性。硬件在环实验结果表明,在高速工况下数学模型可以准确模拟系统的电磁暂态特性,验证了数学模型的解耦能力及数值运算稳定性。

油藏不同开发阶段层面建模算法及实例

由于油藏不同开发阶段特征及其研究目的不同,三维地质建模中层面建模采取的模拟方法和模型精度均有所区别。从三维地质建模角度出发,将油藏开发划分为油藏评价、新区建产和老区调整3个阶段,通过港东二区五断块层面模拟过程中各种模拟算法分析及筛选,提出了层面模拟时,油藏评价阶段建模采用Kriging算法,网格精度为100 m×100 m×5.0 m;新区建产阶段建模采用Kriging算法或Global B-spline算法,网格精度为50 m×50 m×1.5 m;老区调整阶段建模采用Local B-spline算法或Converging average算法,网格精度为10 m×10 m×0.5 m,使层面模拟结果更符合地质情况及研究需要。

综合能源系统下虚拟储能建模方法与应用场景研究综述及展望

为了促进多能耦合互补和实现可再生能源就地消纳,综合能源系统已成为多领域的研究热点。考虑到能源设备及网络的多样性、复杂性以及多种能源时间尺度的差异性,根据能量平衡原理,对系统内具有可调特性的源、网、荷进行储能化建模,并构成虚拟储能系统参与到综合能源系统的优化调度中。为了准确把握虚拟储能的研究重点,首先介绍了虚拟储能的定义、逻辑架构和技术内涵;其次针对综合能源系统源、网、荷端设备或网络,总结和归纳了4种虚拟储能建模方法和特性指标;然后重点分析了虚拟储能在4种典型场景的具体应用;最后展望了虚拟储能未来的发展方向。

同轴送粉激光熔覆的粉末熔化过程建模与仿真

同轴送粉激光熔覆中,粉末与激光的交互作用会直接影响熔覆成形的精度与质量,红外摄像无法直接获得激光内粉末的熔化行为,因此通过分析粉末对热量的吸收情况,使用高速摄像系统采集粉末熔化的动态行为,并建立粉末熔化过程的动态解析模型,通过仿真分析激光功率对不同熔化阶段的影响,及粉末进入熔池时的温度特征.结果表明,高速摄像系统采集粉末在激光中的动态熔化行为中存在“固态→固液两相态→液态”3个典型熔化特征阶段,粉末熔化动态行为可以使用数学解析模型解析,而不同阶段的热物理行为具有粉末与激光热交互作用的动态解析模型,分析了激光功率、离焦量、载粉气流量对粉末熔化行为的影响,同时通过仿真分析不同激光功率对各个特征阶段持续时间的影响,预测粉末颗粒到达基材的温度分布,发现激光功率从100 W增加至1 500 W时,粉末进入熔池的温度呈非线性变化,温度从750℃增加至3 250℃.

科学数据引用网络建模及演化特征分析--以基因表达数据集为例

[目的/意义]将社会网络分析方法应用于科学数据引用特征及规律研究,可以直观呈现出数据引用的复杂网络结构,挖掘数据引用更深层次的价值。[方法/过程]通过辨析科学数据引用特征,构建GEO数据共被引网络模型,并对网络的整体演化、核心个体、社区结构等进行分析。[结果/结论]研究结果表明,GEO数据共被引网络的度和度分布空间差异明显,平均路径长度较短且聚集系数较大,网络中核心个体优势明显,社区结构稳定且特征突出,社区间联系逐渐增强。

论数学建模融入新文科课程体系——以上海海事大学物流专业为例

数字文明时代,在文科课程体系中融入数学建模能够提升学生的数字素养。数学建模已经成为新文科研究的一种范式,文科教育可以通过导入、嵌入和建构等方式,将数学建模融入新文科课程体系。数学建模融入新文科课程体系的学理逻辑,在于以数学建模为边界融合物流新文科与新工科,以数学建模为纽带构建物流课程体系,融入数学建模构建物流实践场景,进而提升科学研究能力。此外,从系统工程与复杂系统管理的角度思考将数学建模融入新文科课程体系的效用,有益于推动新文科内在与外在要素的广泛互动,促使文科发展适应数字文明时代,培养具备人文积淀和数字素养的新时代复合型人才。

数据挖掘与建模技术在食品嗅觉和味觉感知与情绪认知中的应用

随着食品嗅觉和味觉感官及情绪认知相关的科学技术水平的不断提升,越来越多的仪器分析方法和实验设备用于上述领域的研究。检测方法的多样化、全面化以及检测精度的提升,也伴随着风味感知相关数据规模的扩增。如何从食品风味仪器分析结果以及消费者的情绪认知行为相关研究中收集的大量数据中获得关键信息,并建立数据间的关联,越来越被研究人员所关注。食品领域的数据挖掘与建模技术是利用食品生产及流通过程中获得的大量数据,实时、准确地监控食品产业链的各个环节中的物理化学变化,并预测这些变化可能对消费者感官特征及情绪认知产生的影响。目前在食品嗅觉和味觉感知领域,数据挖掘与建模技术可为食品科研人员和消费者提供前所未有的洞察力和分析能力。本文在针对经典的机器学习方法中的有监督和无监督的数据挖掘与建模方法以及深度学习方法的基础上,对食品感官属性研究以及情绪认知方面的最新应用进展进行分析,并展望数据挖掘与建模技术在食品嗅觉和味觉感知领域的应用前景,助力食品行业的科技进步和产业升级。

基于数学建模方法的精量播种机设计分析

基于数学建模原理,对气吸式谷物精量播种机关键功能装置进行分析,以解决播种机作业过程中存在的问题,并设计了一种谷物精量播种机。田间试验数据表明:精量播种机作业测试株距合格率均值为87.67%,空穴率均值为4.89%,株距变异系数均值为23.89%,各项指标可以满足谷物精量播种相关农艺要求。

基于深度学习的塑性变形理论建模研究进展

传统塑性理论模型由于引入了适当的假设和简化,面对复杂变形机制和复杂变形条件时具有局限性。基于深度学习的理论建模作为数据驱动的建模新范式,具有精度高、通用性强的特点,是塑性理论建模的重要方向。介绍了深度学习的建模方法,如传统神经网络模型、物理启发式神经网络模型和神经算子网络,分析了各个模型的特点。总结了近年来基于深度学习的塑性理论建模方法在本构关系、损伤断裂模型、微观组织模型和多尺度模型等方面应用的研究进展,并分析了提高模型精度、泛化能力和可解释性的方法。最后提出了基于深度学习的塑性理论建模方法面临的挑战和未来发展方向。

基于M-DeepLab网络的速度建模技术研究

本文提出了一种适用于速度建模方法的M-DeepLab网络框架,该网络将地震炮集记录作为输入,网络主体使用轻量级MobileNet,以此提升网络训练速度;并在编码环节ASPP模块后添加了Attention模块,且在解码环节将不同网络深度的速度特征进行了融合,既获得了更多的速度特征,又保留了网络浅部的速度信息,防止出现网络退化和过拟合问题。模型测试证明,M-DeepLab网络能够实现智能、精确的速度建模,简单模型、复杂模型以及含有噪声数据复杂模型的智能速度建模,均取得了良好的效果。相较DeepLabV3+网络,本文方法对于速度模型界面处的预测,特别是速度突变区域的预测,具有更高的预测精度,从而验证了该方法精确性、高效性、实用性和抗噪性。

基于旋量理论的镜像加工运动学建模及轨迹自动修调研究

针对镜像加工过程中结构变形致使加工精度难以控制的问题,建立了基于旋量理论的镜像加工剩余壁厚运动学模型,综合考虑零件加工要求及镜像约束关系,提出了镜像加工“支撑-铣削”轨迹生成方法,建立了针对工件变形补偿的镜像支撑轨迹修调模型,实现了镜像加工“支撑-铣削”轨迹自动修调。栅格壁板镜像加工验证试验结果表明,提出的镜像加工“支撑-铣削”轨迹生成和自动修调方法可以满足镜像加工剩余壁厚要求。

考虑多源误差影响的谐波减速器传动误差建模与分析

为解决现有谐波减速器传动误差建模方法的不足,提出一种考虑装配误差、齿面误差的综合误差建模方法。该方法首先建立装配误差和齿面误差数学模型,并进行误差影响参数分析。其次,测量实验样机装配偏心量和歪斜角度,基于模型得到对应偏心误差、歪斜误差模型理论值,齿面加工误差幅值按一般加工工况大小代入模型,得到对应加工误差模型理论值;然后,分别进行500 h、1500 h、3000 h时长的磨损实验,磨损后进行齿面形貌扫描和数据分析,得到对应的齿面形貌参数,基于模型得到对应的磨损误差模型理论值。最后,综合考虑多源误差影响,设置3组同型号样机,进行传动误差实验。实验结果表明:考虑装配偏心、歪斜和齿面加工等影响因素,传动误差的实验测量值与模型理论值误差在1.7~3.3%之间;综合考虑装配偏心、歪斜、齿面加工、齿面磨损等影响因素,在磨损500 h、1500 h、3000 h后传动误差的实验测量值与模型理论值误差分别在-3.45~2.07%、-5.88~-2.94%、1.33~5.33%之间。