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数据驱动的半无限介质裂纹识别模型研究

力学学报 2024年第6期56卷 1727-1739页

作者：江守燕邓王涛孙立国杜成斌河海大学工程力学系南京211100

缺陷识别是结构健康监测的重要研究内容,对评估工程结构的安全性具有重要的指导意义,然而,准确确定结构缺陷的尺寸十分困难.论文提出了一种创新的数据驱动算法,将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)与自... 详细信息

缺陷识别是结构健康监测的重要研究内容,对评估工程结构的安全性具有重要的指导意义,然而,准确确定结构缺陷的尺寸十分困难.论文提出了一种创新的数据驱动算法,将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)与自编码器(autoencoder,AE)、因果膨胀卷积神经网络(causal dilated convolutional neural network,CDCNN)相结合用于半无限介质中的裂纹识别.在该模型中,SBFEM用于模拟波在含不同裂纹状缺陷半无限介质中的传播过程,对于不同的裂纹状缺陷,仅需改变裂纹尖端的比例中心和裂纹开口处节点的位置,避免了复杂的重网格过程,可高效地生成足够的训练数据.模拟波在半无限介质中传播时,建立了基于瑞利阻尼的吸收边界模型,避免了对结构全域模型进行计算.搭建了CDCNN,确保了时序数据的有序性,并获得更大的感受野而不增加神经网络的复杂性,可捕捉更多的历史信息,AE具有较强的非线性特征提取能力,可将高维的原始输入特征向量空间映射到低维潜在特征向量空间,以获得低维潜在特征用于网络模型训练,有效提升了网络模型的学习效率.数值算例表明:提出的模型能够高效且准确地识别半无限介质中裂纹的量化信息,且AE-CDCNN模型的识别效率较单CDCNN模型提高了约2.7倍.

关键词：数据驱动比例边界有限元法自编码器因果膨胀卷积神经网络裂纹识别

基于卷积注意力机制的阀门内漏声发射识别方法

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振动与冲击 2024年第9期43卷 105-114页

作者：黄鑫屈文忠肖黎武汉大学工程力学系武汉430072

阀门结构作为核电厂的关键设备部件之一,因长期处于高温高压环境下,其闸板或阀瓣易发生热变形或磨损导致密封不良,进而引发内漏事故。实时在线识别阀门的内漏状态,对提升核电机组热效率、提高阀门可靠性具有重要意义。因实际工业现场的... 详细信息

阀门结构作为核电厂的关键设备部件之一,因长期处于高温高压环境下,其闸板或阀瓣易发生热变形或磨损导致密封不良,进而引发内漏事故。实时在线识别阀门的内漏状态,对提升核电机组热效率、提高阀门可靠性具有重要意义。因实际工业现场的基底噪声极易掩盖阀门内漏的声发射信号,进而造成阀门内漏状态的误判。为实现阀门内漏状态的快速准确识别,搭建了阀门内漏检测试验台架,开发了基于声发射方法的阀门内漏检测分析系统,将卷积注意力机制引入卷积神经网络中,实现高效快速地识别阀门内漏状态。结果表明,基于阀门内漏的声发射信号频域数据,利用卷积注意力机制神经网络能有效准确地识别阀门内漏状态,在内漏率为26 L/h时,识别准确率高达98%,并且具有较好的可靠性和鲁棒性。

关键词：阀门结构内漏声发射卷积注意力模块卷积神经网络

基于两种梁理论对变幅锥形杆弯曲振动的特性分析及参数设计

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振动与冲击 2024年第2期43卷 114-122页

作者：常婷婷沈峰鲍四元苏州科技大学工程力学系江苏苏州215011

为了研究圆锥形杆自由振动的特性,分别基于欧拉-贝努力梁理论和铁木辛柯梁理论,建立变截面杆自由振动的分析模型。采用一种含三角函数的级数形式来表示欧拉-贝努利梁理论下杆的位移函数,以满足端部位移的条件;利用能量泛函极小化得到系... 详细信息

为了研究圆锥形杆自由振动的特性,分别基于欧拉-贝努力梁理论和铁木辛柯梁理论,建立变截面杆自由振动的分析模型。采用一种含三角函数的级数形式来表示欧拉-贝努利梁理论下杆的位移函数,以满足端部位移的条件;利用能量泛函极小化得到系数满足的线性方程组,进而获得不同边界条件下圆锥形杆在欧拉-贝努利梁理论下的若干阶固有频率;类似地,假设位移的级数形式并利用能量函数,建立锥形杆基于铁木辛柯梁理论的求解方法,可得各阶固有频率和模态;给出等截面杆在两种理论下固有频率的转化公式,并推广应用到圆锥形杆的固有频率近似转化。算例分析锥形杆截面参数对结构固有频率的影响,并基于目标设计频率和若干限制条件对锥形杆的尺寸进行设计。数值结果表明,在应用欧拉-贝努利梁理论和铁木辛柯梁理论时,所提方法都能够稳定收敛且计算效率高,具有较高的精确度。该研究工作为超声工程中变幅杆的动力学特性提供了计算依据。

关键词：铁木辛柯梁理论变幅杆新型改进傅里叶级数自由振动固有频率

基于Timoshenko-Pasternak模型的水平受荷大直径桩静力响应分析

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海洋工程 2024年

作者：范思圆赵金海俞长海黄丹河海大学工程力学系

为弥补传统Euler-Winkler（简称E-W）计算模型在单桩水平静力响应分析中的不足，基于Timoshenko梁理论和Pasternak地基理论，建立同时考虑土体剪切效应和桩身剪切变形的Timoshenko-Pasternak（简称T-P）模型。首先，基于T-P模型推导单... 详细信息

为弥补传统Euler-Winkler（简称E-W）计算模型在单桩水平静力响应分析中的不足，基于Timoshenko梁理论和Pasternak地基理论，建立同时考虑土体剪切效应和桩身剪切变形的Timoshenko-Pasternak（简称T-P）模型。首先，基于T-P模型推导单桩的整体平衡方程组；其次，运用传递函数方法结合迭代法求解；最后，通过实际案例分析，验证方法的合理性和适用性。结果表明：在大变形情况下（10 mm以上）T-P计算模型相比E-W计算模型更适用于大直径钢管桩的侧向位移计算；T-P模型可以较好反映出桩身的剪力变化情况，但存在高估深层土处剪切力的现象；桩顶位移与土—桩相对剪切比呈正比例关系，且土体剪切效应相比钢管桩剪切变形对侧向位移的影响更为显著；桩身变形越接近于刚性转动，桩顶承载力增幅越大，桩身变形越接近于柔性变形，桩顶承载力增幅越小。

关键词： p-y曲线大直径单桩 Timoshenko-Pasternak模型剪切变形海上风电

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基于SBFEM的剪切型裂纹动态开裂模拟

力学学报 2024年第9期56卷 2625-2634页

作者：江守燕高嘉林安邦杜成斌河海大学工程力学系

剪切型断裂是岩土工程中常见的破坏模式,了解剪切破坏机理并准确预测剪切型裂纹的萌生、扩展过程对保障工程结构的安全性与稳定性具有重要意义.文章建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods, SBFEM)和非局部... 详细信息

剪切型断裂是岩土工程中常见的破坏模式,了解剪切破坏机理并准确预测剪切型裂纹的萌生、扩展过程对保障工程结构的安全性与稳定性具有重要意义.文章建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods, SBFEM)和非局部宏-微观损伤模型的剪切型裂纹动态开裂模拟方法,定义了基于偏应变概念的物质点对的正伸长量,可作为预测剪切型裂纹扩展行为的动态开裂准则,一点的损伤定义为该点影响域范围内连接的物质键损伤的加权平均值,而物质键的损伤则与基于偏应变概念的物质点对的正伸长量相关联,并引入能量退化函数建立结构域几何拓扑损伤与能量损失之间的关系,将拓扑损伤与应力应变联系起来,通过能量退化函数修正了SBFEM的刚度系数矩阵,得到了子域在损伤状态下的刚度矩阵,推导了考虑结构损伤的SBFEM动力控制方程,采用Newmark隐式算法对控制方程进行时间离散.最后,通过3个典型算例验证了建议的模型可较好地模拟剪切型断裂问题,能够很好地捕捉剪切型裂纹的扩展路径,并得到较为准确的载荷-位移曲线.

关键词：比例边界有限元法非局部宏-微观损伤模型剪切型开裂四叉树网格偏应变

基于人工神经网络的颗粒材料本构关系及边值问题研究

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应用数学和力学 2024年第2期45卷 155-166页

作者：张广江杨德泽楚锡华武汉大学工程力学系武汉430072

颗粒材料被广泛运用于工程实践中,通过数值模拟解决颗粒材料有关的边值问题,对于指导工程实践具有重要意义.通过应用人工神经网络算法,将基于离散颗粒模型的离散单元法与基于连续介质模型的有限单元法有机结合以求解颗粒材料边值问题,... 详细信息

颗粒材料被广泛运用于工程实践中,通过数值模拟解决颗粒材料有关的边值问题,对于指导工程实践具有重要意义.通过应用人工神经网络算法,将基于离散颗粒模型的离散单元法与基于连续介质模型的有限单元法有机结合以求解颗粒材料边值问题,形成了一套新的、完整的模型及解决方案,即细观模型离线计算的细-宏观两尺度模型及求解系统.具体为:先基于离散单元法获取颗粒材料的主应力、主应变以及对应的应力-应变矩阵等数据;再将获取的数据利用人工神经网络算法构建在主空间上描述颗粒材料本构关系的人工神经网络模型;最后,通过用户自定义材料子程序UMAT将人工神经网络模型导入ABAQUS中求解颗粒材料边值问题.通过平板受压以及边坡稳定性数值试验,并与经典弹塑性模型求解结果进行对比,表明了训练后的人工神经网络模型能够有效地反映颗粒材料的本构关系,并能够运用于实践求解边值问题,验证了该求解方案的可行性.

关键词：颗粒材料人工神经网络离散元法有限元法边值问题

基于K-T条件的核环吊空间滑轮绳索接触段计算方法研究

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力学学报 2024年第4期56卷 1123-1137页

作者：赵天骄齐朝晖王天堉徐金帅大连理工大学工程力学系辽宁大连116024

滑轮绳索系统是一类可以利用内嵌于其中的绳索控制的多体系统,一般存在大量绳索接触段,随着机械系统的复杂化和智能化,对这类系统的精确性和可靠性提出了高要求.针对核环吊起升机构中空间滑轮绳索接触段,推导了接触段绳索微元体平衡方程... 详细信息

滑轮绳索系统是一类可以利用内嵌于其中的绳索控制的多体系统,一般存在大量绳索接触段,随着机械系统的复杂化和智能化,对这类系统的精确性和可靠性提出了高要求.针对核环吊起升机构中空间滑轮绳索接触段,推导了接触段绳索微元体平衡方程,得到了接触力密度的解析表达式.将绳索应变求解转化为优化问题,利用库恩塔克(K-T)条件,建立了绳索轴向应变以及应变对弧长导数满足的非线性方程,并求出了内部应变对滑轮两端参数的导数,计算了滑轮与绳索接触段的应变分布,推导了绳索方位角与弧长应满足的协调方程.同时结合接触段滑轮槽截面的几何特点,推导了切向和法向接触力密度与绳索轴向应变之间的关系,提出了滑轮两侧绳索应满足的边界条件,利用边界点处绳索与滑轮物质速度相等的条件,建立了约束方程.数值算例表明,计算结果符合绳索受力变形规律和接触力变化趋势.提供的方法为包含空间滑轮绳索机构的核环吊机构以及其他大型机械系统分析提供了新的思路.

关键词：滑轮绳索系统起升机构应变分析接触力密度空间描述

基于微流控的血细胞和干细胞流变学行为研究进展

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力学学报 2024年第5期56卷 1271-1283页

作者：戚晓菁杜亚辉曾为臻李学进浣江实验室浙江诸暨311800 浙江大学工程力学系杭州310027

微流控芯片作为一种微全分析技术平台,具有精确流量控制、少量样本需求和可集成化等诸多优势,已被广泛应用于生物医学和环境科学等领域.利用微流控通道结构设计灵活的特点,可在实验条件下模拟生理和病理条件下的复杂血管微环境,其与超... 详细信息

微流控芯片作为一种微全分析技术平台,具有精确流量控制、少量样本需求和可集成化等诸多优势,已被广泛应用于生物医学和环境科学等领域.利用微流控通道结构设计灵活的特点,可在实验条件下模拟生理和病理条件下的复杂血管微环境,其与超分辨显微成像技术的整合使得研究人员能够实时观察和分析微观尺度下的细胞动态变化过程.因此,在用微流控芯片系统研究细胞形态和力学特性方面也取得了重要进展.文章重点介绍了微流控芯片技术及基于微流控的数值仿真模拟手段在红细胞、白细胞及干细胞变形和流变学行为中的应用及进展.首先,介绍了微流控芯片技术及相关数值仿真手段在红细胞流动变形研究中的应用;接着,总结了微流控芯片系统及相关数值模拟在白细胞边集及迁移行为的研究进展;此外,也概括了微流控芯片系统及相关数值模拟在干细胞迁移和定向分化机制方面的研究进展.最后,总结并展望了微流控芯片技术及其相关的数值模拟在血细胞及干细胞流变学研究中的挑战和未来发展趋势.

关键词：微流控芯片血细胞干细胞流变学行为数值模拟

基于近场动力学算子方法的各向异性板自由振动分析

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固体力学学报 2024年第3期45卷 341-351页

作者：陆炎洲李志远黄丹姚学昊河海大学工程力学系南京211100

各向异性材料广泛应用于诸多工程领域,研究其振动特性对结构减振与安全设计具有重要意义.本文基于一种新的近场动力学算子方法(Peridynamic operator method,PDOM)构建非局部各向异性模型,并应用于各向异性板的自由振动分析.该模型结合... 详细信息

各向异性材料广泛应用于诸多工程领域,研究其振动特性对结构减振与安全设计具有重要意义.本文基于一种新的近场动力学算子方法(Peridynamic operator method,PDOM)构建非局部各向异性模型,并应用于各向异性板的自由振动分析.该模型结合了PDOM将局部微分及其乘积转化为非局部积分的特点,将经典各向异性理论中的应变能密度从局部形式重构为非局部形式.同时,采用变分原理并引入自由振动方程,构建了适用于各向异性自由振动问题的PDOM求解方案.通过三个数值算例:各向异性矩形薄板、各向异性矩形含裂纹板、各向异性矩形含孔板的自由振动,并将计算结果与有限元结果比较,说明了模型在计算含缺陷以及不连续的各向异性板自由振动问题时具有收敛性、稳定性以及高计算精度.

关键词：自由振动各向异性近场动力学算子方法非局部变分原理