气流作用下气道组织变形的流固耦合研究

悬雍垂腭咽成形术(UPPP)是一种治疗阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的常规外科手术,然而由于手术作用机制仍不清楚,手术成功率较低.现有的研究大多忽略了患者上气道的具体形态以及呼吸作用下气道软组织的弹性变形,不足以有效指导手术治疗.文章基于OSA患者在术前、术后的CT扫描图像,构建了精确的三维上气道模型,通过双向流固耦合(FSI)计算,模拟研究了呼吸作用下上气道软组织的弹性变形和气道内气流流动情况.比较手术成功案例和失败案例中OSA患者上气道的流速、压力分布及气道弹性变形情况,从气道流体流动状态和气道软组织变形的角度解释了OSA的发生原因与手术作用机制.结果表明,最小横截面积尺寸并不是UPPP手术成功与否的决定性因素,成功的手术应当是减轻气道壁负压力程度、降低气道进出口之间的压降.此外,使用双向FSI方法,文章进一步构建了简化的人体二维软腭模型,探究了软腭弹性模量对吸气过程的影响,发现当软腭的弹性模量在0.5～1.5 MPa的范围内时,刚度更小的软腭会改善流场的流动情况,但也更易发生变形塌陷.文章所发展的流固模型为个性化预测手术效果提供了研究工具.     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态本构模型

基于混凝土强冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为流动法则,引入损伤,构造了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤.其中,拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过拉伸应变来控制;压缩损伤相关于微空洞体积分数比的演化,并通过微空洞塌陷引起的压缩应变来控制,由此压缩损伤和拉伸损伤就完全耦合了.通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,随着冲击速度的提高,混凝土的峰值应力显著增加,即混凝土材料的承载能力增大,同时混凝土内部产生显著的塑性变形.模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在强冲击荷载下的动态特性.     

DC-DC开关功率变换器的非线性动力学行为研究

DC-DC开关功率变换器是一种典型的分段光滑动力学系统, 在一定的工作和参数条件下, 系统会出现各种分岔如倍周期分岔、Hopf分岔、边界碰撞分岔和混沌运动. 系统评述了DC-DC开关功率变换器的非线性动力学行为的研究进展;介绍了离散非线性映射、分段线性模型、平均值模型等3种建模方法;分析了这种电路系统中的分岔特点及通向混沌的途径与机制;结合我们的研究工作, 讨论了对这种电路系统进行混沌控制的必要性及相关策略;最后, 从应用的角度提出了未来的若干研究方向.      

单一水平轴风电机组尾迹的模拟方法与流动机理研究综述

为实现碳达峰、碳中和“3060”目标, 风能将在我国能源体系发挥重要作用. 风力机尾迹是影响风电性能和度电成本的关键因素, 需在风力机布置和控制设计中充分考虑. 本文首先介绍风力机尾迹的数值模拟方法, 包括解析模型、低阶模型、大涡模拟和来流湍流生成方法. 解析模型和低阶模型可快速计算风力机尾迹, 但依赖于模型参数, 且不能或不能准确预测尾迹湍流特性. 结合风力机参数化模型的大涡模拟可准确预测尾迹蜿蜒等湍流特征, 是流动机理研究的有力工具, 可为发展快速预测模型提供数据和理论支撑. 接着, 本文介绍了叶尖涡、中心涡和尾迹蜿蜒并讨论其产生机理. 对于湍流来流, 叶尖涡主要存在于近尾迹. 蜿蜒是远尾迹的主要特征, 影响下游风力机的来流特征. 尾迹蜿蜒的产生有两种机制: 来流大尺度涡和剪切层失稳. 数值和观测结果显示两种机制共同存在. 机舱和中心涡对尾迹蜿蜒有重要影响. 采用叶片和机舱的致动面模型可准确预测尾迹蜿蜒. 研究显示不同风力机尾迹间的湍流特征存在相似性, 为发展尾迹湍流的快速预测模型提供了理论依据. 当前研究多关注平坦地形上的风力机尾迹, 复杂地形和海洋环境下的大气湍流和风力机尾迹的机理复杂, 现有工程模型无法准确预测, 有待深入研究.      

混凝土材料冲击特性的研究

基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究，提出了两种损伤型动态本构模型： 损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的 比较可发现，随着冲击速度的提高，混凝土材料内部产生了显著的塑性变形，由此 损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂 纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化，以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形，因而能更好地 用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.     

深水位地下渗流诱发的地面塌陷模型试验

为研究深水位渗流侵蚀致塌问题,设计了一种常水头平面应变试验装置,测试不同土样的物理特性,观测塌陷的形成过程,探讨含水量、黏土含量、盐粒级配对空腔尺寸、模型表面沉降以及塌陷状态的不同影响.试验结果表明:土样的力学性能和渗透系数均会随土样成分的不同而产生较大波动;试验过程可分为空腔水下扩展、空腔水上扩展、模型塌陷3个阶段,...     

脑血流与颅内压的仿真模型研究

颅内压（intracranial pressure,ICP）是指颅腔内容物对颅腔壁产生的压力,内外多种原因会引起颅内压变化,同时心搏、呼吸和神经调节等的影响也会使颅内压出现波动。本研究在动物（犬）实验结果的基础上,建立了模拟颅内压动力学变化的集中参数数学模型。模型中整合了颅内压和脑血流以及自调节机制之间的非线性相互作用。模型的仿真结果与实验结果十分接近,较好地模拟了实验中颅内压波形以及颅内代偿功能接近耗尽时产生的高原波。模拟中模型参数的变化和动物实验状况的变化相吻合,这将为临床颅内压监护及诊疗提供一定的参考。     

基于惯性测量单元的运动员呼吸状态监测方法

针对人体在处于不同状态下呼吸幅度和速率的不同,并综合目前已有的呼吸监测方法,提出了一种基于卡尔曼滤波算法的可穿戴式惯性测量单元的呼吸状态监测方法。首先将两个惯性测量单元固定在人体的前胸与后背,测量人体在不同运动状态下呼吸时胸廓收缩和扩展所引起的加速度与角速度变化,在对前胸、后背惯性测量单元所测量的数据进行坐标变换空间对准后,采用差分模型下的卡尔曼滤波算法解算出运动员单纯呼吸运动状态下的加速度变化曲线,进而得到不同运动状态下运动员的呼吸频率和呼吸深度参数,该参数可作为评价运动员身体素质的重要指标。最后在搭建的可穿戴式惯性测量单元呼吸监测实验平台中进行模型验证,并将人体不同姿态下的实验结果与标准呼吸面罩测量结果比对,准确率均达到90%以上,实现了对运动员呼吸状态的便携式、可穿戴式实时精确测量。     

基于流形切空间插值的折叠翼参数化气动弹性建模

变体飞行器的气动弹性力学建模是当前先进飞行器设计的研究热点和难点. 然而传统的气动弹性动力学建模方法对于具有结构参变特性的变体飞行器气动弹性力学研究存在建模效率低、计算复杂等问题. 本研究提出了一种基于流形切空间插值的可折叠式变体机翼参数化气动弹性建模方法. 首先, 该方法建立若干个典型折叠角下的折叠翼结构有限元模型, 通过流形切空间插值方法建立折叠翼参数化结构动力学模型. 其次, 采用偶极子网格法得到参数化非定常气动力模型, 进而建立气动和结构相互耦合的折叠翼参数化气动弹性模型. 为了验证该参数化建模方法在折叠翼气动弹性分析中的准确性, 本文以一小展弦比折叠翼为研究对象, 从折叠翼自由振动时的参变模态特性、颤振边界预测两方面进行了算例验证, 并与直接计算方法进行了对比, 进一步验证了参数化气动弹性模型的有效性. 研究结果表明, 该参数化气动弹性模型对上述两类问题的计算精度与直接计算方法一致, 并且有着计算效率更高的优势.      

双频激励下Filippov系统的非光滑簇发振荡机理

旨在揭示含双频周期激励的不同尺度Filippov系统的非光滑簇发振荡模式及分岔机制. 以Duffing和Van der Pol耦合振子作为动力系统模型,引入周期变化的双频激励项,当两激励频率与固有频率存在量级差时,将两周期激励项表示为可以作为一慢变参数的单一周期激励项的代数表达式,给出了当保持外部激励频率不变,改变参数激励频率的情况下,快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及因系统出现的fold分岔或Hopf分岔导致的系统分岔行为的演化机制.结合转换相图和由Hopf分岔产生稳定极限环的演化过程,得到了由慢变参数确定的同宿分岔、多滑分岔的临界情形及因慢变参数改变而出现的混合振荡模式,并详细阐述了系统的簇发振荡机制和非光滑动力学行为特性.通过对比两种不同情形下的平衡曲线及分岔图,指出虽然系统有相似的平衡曲线结构, 却因参数激励频率取值的不同,致使平衡曲线发生了更多的曲折,对应的极值点的个数也有所改变,并通过数值模拟, 对结果进行了验证.      

具有时滞的帕金森模型的振荡动力学分析

研究大脑基底神经节中产生异常β振荡的起源有助于分析帕金森病的致病机理. 本文系统地研究了改进的皮质?基底神经节(E-I-STN-GPe-GPi)共振模型的振荡动力学. 首先, 通过Routh-Hurwitz准则和稳定性理论获得了该模型局部平衡点处的稳定性与Hopf分岔发生的条件, 并且推导出该共振模型存在Hopf分岔的时滞参数范围. 研究发现, 增加突触传输时滞能够使模型产生Hopf分岔, 并且诱导β振荡的产生, 使系统在健康和帕金森病这两个状态之间相互转换. 其次, 揭示了β振荡的产生与丘脑底核相关的突触连接强度有关. 数值模拟发现, 当丘脑底核同时受到兴奋性神经元集群和苍白球外侧较强的促进作用时, 丘脑底核产生振荡. 最后, 分析了与苍白球内侧有关的参数对其产生振荡的影响, 研究结果发现, 当较小的苍白球外侧突触连接强度和较大的突触传输时滞共同作用时, 苍白球内侧更容易发生振荡, 且振幅越来越大. 希望本文对E-I-STN-GPe-GPi共振模型的动力学特征的研究有助于人们理解帕金森病的致病机理和揭示帕金森病异常β振荡的来源.      

Dreaming as a Function of Chaos-Like Stochastic Processes in the Self-Organizing Brain

This paper argues that dream experiences owe both their structure and meaning to stochastic self-organizing properties of the brain during sleep. Several lines of evidence support the notion that the dreaming brain can be understood as a process system that exhibits chaos-like stochastic properties that are highly sensitive to internal influences. This sensitivity is due, first, to the fact that the dreaming brain gates out external input, thus operating without the stabilizing influences of waking feedback. Second, the pre-frontal cortex in both REM and non-REM (NREM) sleep is only minimally activated, thus the brain operates with weakened volition, reduced logic, and diminished self-reflection. Third, there is a reduction of neuromodulatory inhibition during sleep, which is most pronounced during REM sleep, allowing the brain to respond to minute internal stimulation. Finally, the REM sleeping brain is subject to powerful intermittent cholinergic PGO activity that may provide vigorous stimulation for complex dream activity. Taken in overview, this conception of dreaming offers a common meeting ground for brain-based studies of dreaming and psychological dream theory.     

一类具有自适应性质的组合TVD格式的构造

本文分析比较了些典型的ＴＶＤ格式，发现各种ＴＶＤ格式对解的分辨能力有差别，格式中存在耗散性和压缩性的矛盾。在分析了格式的构造以及产生耗散、压缩作用的原因后，本文提出了一种具有自适应能力的ＴＶＤ格式的组合形式，该格式在解的剧烈变化区域，有较高的分辨能力；在解的光滑区域避免了由于压缩性过强造成的失真，数值试验表明该格式具有良好的性质．     

Toward numerical simulations of fluid–structure interactions for investigation of obstructive sleep apnea

Obstructive sleep apnea (OSA) is a medical condition characterized by repetitive partial or complete occlusion of the airway during sleep. The soft tissues in the airway of OSA patients are prone to collapse under the low-pressure loads incurred during breathing. This paper describes efforts toward the development of a numerical tool for simulation of air–tissue interactions in the upper airway of patients with sleep apnea. A procedure by which patient-specific airway geometries are segmented and processed from dental cone-beam CT scans into signed distance fields is presented. A sharp-interface embedded boundary method based on the signed distance field is used on Cartesian grids for resolving the airflow in the airway geometries. For simulation of structure mechanics with large expected displacements, a cut-cell finite element method with nonlinear Green strains is used. The fluid and structure solvers are strongly coupled with a partitioned iterative algorithm. Preliminary results are shown for flow simulation inside the three-dimensional rigid upper airway of patients with obstructive sleep apnea. Two validation cases for the fluid–structure coupling problem are also presented.     

无网格伽辽金法应用的参数选择及内部边界处理

无网格辽金法作为-种新的岩土工程数值计算方法, 该法其只需节点信息的无单元特性, 使其具有计算优势。本文结合固结EFGM刚度矩阵公式, 对不同的计算参数进行计算分析, 找出其影响规律。并采用跳跃函数处理内部边界条件, 计算结果表明, EFGM处理内部场函数不连续是准确的。     

柔性桥台合理加筋间距的力学模型试验

桥头跳车是公路工程中普遍且复杂的问题，加筋土结构的柔性桥台的应用，可能在根本上避免错台的出现和桥头跳车的产生。然而，其加筋间距的确定具有较大的盲目性。对土工织物加筋柔性桥台进行了4组大模型结构力学试验，对不同加筋间距下柔性桥台的工程特性进行了详尽的对比分析。试验结果表明，土工织物加筋柔性桥台的合理间距为30—50cm。     

数学规划加权残值法在非线性微分方程中的应用

本文研究数学规划加权残值法在非线性微分方程求解中的应用,利用数学规划加权残值法和ＬＰ模理论,把非线性微分方程边值问题转化为一个可微分的无约束非线性优化问题,从而运用成熟稳定的寻优方法求得问题的解。文中数字计算例子表明本文方法可以快速有效地求解非线性微分方程。     

石灰膨胀土团聚体微结构的扫描电镜分析

石灰改良土为团聚体骨架结构,骨架是由团聚体构成,孔隙是由团聚体间的孔隙和团聚体内部微孔隙组成,粒间孔包括胶结物孔隙和压实时团聚体之间形成的孔隙。实验证明团聚体越小越有利于石灰与土的结合,微结构为链状结构;石灰掺量主要影响团聚体的表面微结构。在饱和状态时,钙离子浸入团聚体的内部,团聚体的内层也出现与外层类似结构。相同石灰掺量的样品,饱和状态和非饱和状态时钙的重量相对含量的分布有不同,非饱和状态时表面的钙相对较多,越往内部越少,内外差异很大;而饱和状态时,外层的钙比内层稍多,内外差异较小,团聚体内部形成较大的微集聚体。     

土的应力-应变关系的一种描述模式

通常将由土的剪切试验测得的应力-应变关系曲线(q～ε1曲线)分为应变硬化型和应变软化型,文中提出了一种能同时描述应变硬化型q～ε1曲线和应变软化型q～ε1曲线的新模式,并导出了统一的切线模量表达式,进一步探讨了该应力-应变关系曲线描述模式在拟合应变硬化型曲线时的简化形式,及简化形式中参数取值方法和参数与围压的关系等方面的问题。通过与邓肯-张模型和应变软化模型的对比,结果表明该应力-应变关系曲线描述模式能更好地与试验数据吻合,且用其简化形式拟合应变硬化型曲线时,可以通过调整其中一个参数值来表达出不同的曲线形式,从而体现出土体应力-应变关系的多样性。该应力-应变关系描述模式为发展更一般的非线性弹性模型提供了一定的理论基础。