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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

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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南京211100

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

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中高熵合金的异构设计及其强韧化机理

科学通报 2024年第26期69卷 3864-3886页

作者：邢汉峥李晓雁清华大学工程力学系北京100084

不同于传统合金,中高熵合金的多主元元素设计使其展示出了独特的结构特征,并表现出中高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应.因此,中高熵合金展示了优异的力学性能,如超高的强度、良好的延展性、突出的耐磨性、抗腐蚀性... 详细信息

不同于传统合金,中高熵合金的多主元元素设计使其展示出了独特的结构特征,并表现出中高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应.因此,中高熵合金展示了优异的力学性能,如超高的强度、良好的延展性、突出的耐磨性、抗腐蚀性.然而,中高熵合金依然面临着与传统金属和合金材料同样的强度-延展性相互制约的挑战.通过对中高熵合金的元素成分比例和加工工艺进行设计与调控,其内部能够形成稳定的跨尺度的异质结构,包括原子尺度的局域化学有序、纳米尺度的析出相、亚微米尺度的第二相或晶内缺陷(如纳米孪晶、位错等)以及微米尺度的多模晶粒尺寸.这些通过精心设计的加工工艺引入的、或是在塑性变形过程形成的跨尺度的异质结构能够显著影响材料的塑性变形机制.跨尺度的异质结构能够在阻碍位错运动的同时提高加工硬化能力,从而提高材料强度,并改善材料的延展性.因此,异构设计有助于实现中高熵合金强度与延展性的协同提升.本文对近年来关于中高熵合金的不同尺度的异构设计工作进行了总结评述,同时揭示了不同异构中高熵合金所对应的强韧化机理,最后总结了中高熵合金中异质结构与变形机制和力学性能之间的关系,并对今后研究的重点和方向进行了展望.

关键词：中高熵合金异质结构塑性变形力学性能强韧化机理

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

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改进的高压气枪震源气泡物理模型及其应用

地球物理学报 2024年第3期67卷 1108-1119页

作者：赵迪徐润泽张帅李帅哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 浙江大学工程力学系杭州310027

基于可压缩气泡动力学理论,建立改进的高压气枪震源气泡物理模型,其中考虑气枪气泡系统之间的物质输运效应、气液热传导等多种影响因素.改进模型的计算结果与实验数据吻合良好,且优于传统模型.在此基础上,本文分别探究了特征参数对单枪... 详细信息

基于可压缩气泡动力学理论,建立改进的高压气枪震源气泡物理模型,其中考虑气枪气泡系统之间的物质输运效应、气液热传导等多种影响因素.改进模型的计算结果与实验数据吻合良好,且优于传统模型.在此基础上,本文分别探究了特征参数对单枪和双枪气泡动力学特性及流场压力波的影响规律.研究表明气枪开口方式是模拟压力波首脉冲的关键因素,但是对于后续的气泡溃灭脉动压力影响较小;气枪平移运动对气泡的影响可忽略不计;气枪非同步激发可在保证压力波低频段能量不降低的前提下,在一定程度上削弱高频段能量.本研究旨在为深海资源勘探新型气枪的设计提供参考.

关键词：震源气泡物质输运压力波频谱

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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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狭窄通道红细胞跨膜传质特性数值分析

力学学报 2024年第5期56卷 1297-1306页

作者：傅尧王骁龙龚晓波上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系上海200240

随着对血液微流动过程的不断探索,红细胞在微通道中的运动微观特性备受关注,利用流体力学特性的低损伤手段调控细胞体积并完成跨膜传药也逐渐成为研究热点.为了分析红细胞在微通道中的传质和力学特性及其影响因素,采用浸入式边界法研究... 详细信息

随着对血液微流动过程的不断探索,红细胞在微通道中的运动微观特性备受关注,利用流体力学特性的低损伤手段调控细胞体积并完成跨膜传药也逐渐成为研究热点.为了分析红细胞在微通道中的传质和力学特性及其影响因素,采用浸入式边界法研究细胞穿越狭窄通道的整个运动过程,并考虑细胞膜表面透水传质效应,完成细胞跨膜传质过程的数值建模,实现对狭窄通道中红细胞跨膜传质过程微观的传质特性数值分析.研究表明,细胞在挤入、排出狭缝的运动过程中,体积先损失、后恢复,在这个过程中,细胞头部和尾部以向外的渗透流出为主,中间部位则以向内的渗透流入为主.文章的研究进一步表明,狭缝挤压过程中的体积净变化是由向内和向外渗透速度的大小差异引起的,而与向内和向外渗透的膜面积差异并无明显关系.对体积变化的影响因素探究后发现,更狭窄的通道和更大的入口出口角均会引起细胞发生更多的体积损失和体积恢复,且出口角的变化会引起细胞体积恢复后所达到的体积稳定值:在固定入口角时,狭缝出口角越大,细胞离开狭缝后的稳定体积越小;细胞的硬度越大、细胞膜通透性(渗透系数)越大,细胞在狭缝中运动过程中的体积损失和体积恢复程度越高.

关键词：红细胞数值模拟跨膜传质浸入式边界法流固相互作用

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