弹性动力学反问题的数值反演方法

系统介绍了弹性动力学反问题中各种数值反演方法,包括各种 近似下的线性化反演方法;非线性迭代反演方法;确定性和非确定性 搜索的优化反演方法;大范围收敛的同伦反演方法以及多尺度反演方 法。阐述了各类反演方法的原理、特点、适用范围和存在的局限性, 指出了数值反演方法进一步研究的方向。     

非线性流体弹性力学研究进展

流体弹性力学理论是用来描述液体、气体的运动与弹性结构相互作用的学科. 由于其交叉性质, 涉及到人类日常生活中的方方面面, 致使在许多学科和工程领域中都成了主要的研究内容, 并得到了广泛地应用. 本文在阐述研究流体与弹性体相互作用的非线性问题的重要意义及分类方法的基础上, 介绍了非线性流体弹性力学的特征、研究现状和非线性问题的研究方法, 如理论分析法、实验分析法、数值分析法和半解析法等的进展; 介绍了描述介质相互作用的任意拉格朗日-欧拉(ALE)法、相容拉格朗日-欧拉(ULE)法、 单一拉格朗日(SL)法和单一欧拉(SE)法之间的关系, 并且对这些研究方法的优缺点进行了比较; 介绍了非线性流体弹性力学研究的内容和在气动弹性力学、水弹性力学、环境流体弹性力学、 微尺度流体弹性力学和涡激振动等领域中的应用; 阐述了非线性流体弹性力学的发展前景和所面临的任务.     

三维非稳态热传导逆问题反演算法研究

利用表面温度测量来反演热传导方程中的热源项是一类典型的热传导逆问题,在采用有限体积法对三维非稳态热传导问题进行数值求解的基础上,将该热传导逆问题转化为优化问题,建立了伴随方程法和共轭梯度法这两类反演算法.采用这两类算法对一个典型算例的计算结果表明:建立的两类反演算法是有效的,具有较好的抗噪性能.此外,对反演算法中计算收敛准则的选取进行了较深入的分析,结果表明,由于热传导逆问题的不适定性,优化过程中目标函数值越小并不意味着反演结果与真值更为接近,可以通过设定合适的收敛准则来模拟正则化项的作用,克服不适定性的影响.     

弹性动力学反问题的非线性及其迭代反演

分析了弹性动力学反问题的非线性及在迭代反演过程中表现出的复杂非线性现象。迭代反演的结果依赖于反演系统参数和迭代初值,而系统参数对应的Mandelbrot集和迭代初值对应的Julia集都是复杂的分形集。随反演系统状态参数的变化,完全确定性的反演系统却可能产生一系列无规则的,不可预测的迭代输出序列。反演迭代过程中出现的分形和混沌现象反映了表面简单的反演迭代后隐藏的复杂性,正是这种复杂性给迭代系统参数的合理选择带来困难,进而使反演迭代不总能给出满意的结果。     

松散堆积体工程边坡变形机理分析及支护对策研究

利用表面温度测量来反演热传导方程中的热源项是一类典型的热传导逆问题，在采用有 限体积法对三维非稳态热传导问题进行数值求解的基础上，将该热传导逆问题转化为优化问 题，建立了伴随方程法和共轭梯度法这两类反演算法. 采用这两类算法对一个典型算例的计 算结果表明：建立的两类反演算法是有效的，具有较好的抗噪性能. 此外，对反演算法 中计算收敛准则的选取进行了较深入的分析，结果表明，由于热传导逆问题的不适定性，优 化过程中目标函数值越小并不意味着反演结果与真值更为接近，可以通过设定合适的收敛准 则来模拟正则化项的作用，克服不适定性的影响.     

一种土的非线性弹性本构模型参数的反演方法

旨在提出一种土的非线性弹性本构模型参数反演的方法。以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数反演的方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数反演的全过程。计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度。从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法。     

弹性理论方程的不变解

基于李群和李代数理论,分析了固体力学中微分方程的群分析的基本原理和应用.总结了群分析在弹性理论领域取得的一些重要成果,特别是弹性动力学中的拉梅方程和非线性弹性理论方程方面,得到了弹性理论方程的一系列不变解.预测了群分析在弹性理论领域的进一步发展方向.     

面载荷识别的TSVD正则化方法

线性系统的响应可以表示为单位脉冲响应函数与动态载荷的卷积分,经离散后得到载荷识别反问题。引入TSVD正则化方法处理反问题的不适定性,对不同噪声的实测响应进行了面载荷的反演求解,并对识别精度做出了分析。算例表明,TSVD正则化方法对响应误差的适应性强,识别精度高。     

时域自适应算法求解移动荷载下梁的多宗量反问题

通过一种时域自适应算法,建立了求解变速移动荷载下梁的多宗量反问题的数值模型,可同时识别移动荷载和梁的物性参数.正问题采用时域自适应算法和FEM建模,并可由此方便地推导敏度公式;在反问题求解中采用Levenberg-Marquardt法,计算表明该方法具有较好的抗不适定性.通过两个算例,对所提算法进行了数值验证,并探讨了噪声和测点的变化对反演结果的影响,结果令人满意.     

共轭梯度法求解非线性多宗量稳态传热反问题

应用共轭梯度法求解非线性多宗量稳态热传导反问题。采用八节点的等参单元在空间上进行离散，建立了便于敏度分析的非线性正演和反演的有限元模型，可直接求导进行敏度分析。给出了相关的数值验证，对测量误差及测点数目的影响作了初步探讨，结果表明，采用的算法能够对非线性稳态热传导中导热系数和边界条件联合反问题进行有效的求解，并具有较高精度。     

NUMERICAL METHOD FOR THE SHAPE RECONSTRUCTION OF A HARD TARGET

IntroductionAninverseproblemofconsiderableimportanceinvariousfieldsofengineeringtechnology ,suchasnondestructivetesting ,medicalimaging ,remotesensingandseismicimaging ,istodeterminetheshapeofascatteringobjectfromitsfar_fieldeffectsontheacousticscatteringwaves.However,thiskindofproblemisparticularlydifficulttosolvesinceitisbothnonlinearandill_posed[1].Fortunately ,therehavebeenseveralmethodsdevelopedforsolvingnumericallytheinverseproblemduringthelastdecade .Ofparticularimportancearenonlinearop…     

双相介质波动方程孔隙率反演的同伦方法

从材料响应的理论合成应与实际测量数据相拟合这一出发点，将双相介质波劝方程参数的反演问题转化为非线性算子方程的零点求解问题，从而应用一种大范围收敛的同伦方尘土注来解非线性算子方程，并把这种方法用于Simon(1984)给出的具有解析的一维双相介质模型的数值模拟，最后的数值结果表明，给出的算法是十分有效的。     

Detection of ocean bathymetry from surface wave measurements

The detection of ocean bathymetry is one of the most important and difficult problems in oceanography. On the theoretical side it is a classical inverse problem which features severe ill-posedness found in similar problems from a wide array of applied sciences. From a practical standpoint, standard procedures based upon “Underwater Acoustics” are quite dangerous and expensive as the desired surface is separated from measuring devices by (at least) the entire ocean layer providing a very hostile and unpredictable sampling environment. In this research we take a rather different approach to this inverse problem as we rely upon nonlinear features of the governing fluid mechanical equations to detect information about the ocean bathymetry. This is also in contrast to similar methods in the literature which rely solely upon the variations in the dispersion relation. Using a formulation of the water wave problem due to Zakharov, and Craig and Sulem, and the analyticity of the “Dirichlet–Neumann operator” we find surprisingly convenient formulas involving the ocean bathymetry. Of course, these formulas are ill-conditioned and nonlinear, however, we have found that application of standard techniques from the theory of inverse problems allow us to predict the shape of bottom topography with excellent precision.     

边界粒子法结合正则化技术求解Robin反问题

运用一种边界型无网格算法——边界粒子法求解Robin反问题,结合Tikhonov正则化技术消除反问题的不适定性。该方法仅需边界测量数据,计算精度高,特别适用于反问题的求解。数值算例显示该方法在求解Robin反问题上具有很好的稳定性和收敛性。     

地下水流并行有限层方法及同伦反演研究

根据有限层求解格式存在的解耦性，实现了地下水三维流问题的高效并行化计算。在此基础上，结合非线性同伦方法，提出了地下水参数反演分析的并行同伦算法，利用MATLAB编译了相应的正反演计算程序。与已有解析解和有限差分解的对比以及数值算例，验证了并行化正反演方法及程序的正确性，探讨了并行算法的计算效率。研究表明，并行方法可以有效提高计算速度，较串行方法具有明显优势，同时同伦反演方法具有大范围收敛的特点，不依赖于参数值的初始选取。     

基于仿真和智能算法骨骼肌超弹性本构参数的反演方法研究

从事高强度的体力工作者经常会发生肌肉软组织的损伤, 因此对骨骼肌的变形特性和应力分布的研究受到了越来越多的重视. 获取正确的本构参数对于生物软组织的力学行为的研究至关重要, 而本构参数的确定本质上是一个逆过程, 具有很大的挑战性. 本文分别采用K近邻(K-nearest neighbor, KNN)模型和支持向量机回归(support vector machine regression, SVR)模型并结合非线性有限元仿真, 提出了两种确定骨骼肌本构参数的反演方法. 首先建立了骨骼肌压缩的有限元模型, 对其压缩条件下的变形特性进行了有限元仿真, 得到了相应的变形特性及应力分布规律, 同时也建立了骨骼肌组织的名义应力和主伸长之间非线性关系的数据集. 其次, 分别利用KNN模型和SVR模型搭建了针对骨骼肌组织进行本构参数反演的机器学习智能算法, 对相应的数据集进行训练, 结合单轴压缩实验的实验数据预测了材料的本构参数. 最后, 对分别基于KNN模型和SVR模型对骨骼肌超弹性本构参数的误差结果进行了分析, 通过引入相关系数$R$和决定系数$R^{2}$对采用两种反演方法的有效性进行数值上的验证. 结果表明, 利用KNN模型和SVR模型结合有限元仿真是确定骨骼肌超弹性本构参数的有效、准确的方法, 该方法也可进一步推广到其他类型的非线性软组织的本构参数反演.      

Stress field tomography based on 3D photoelasticity

A tomographic method for identification of stress fields based on 3D photoelasticity has been developed. A second order tensor field tomographic method based on the general inverse problem of 3D photoelasticity, previously developed by the authors, is found to be highly sensitive to errors in photoelastic observations. In this study a new tomographic method for stress field with fairly high robustness to errors in photoelastic observations has been developed by introducing both equilibrium condition and linear elasticity to the previously developed general tensor field tomographic method. This new stress field tomographic method expands unknown 3D stress distributions as a linear combination of independent set of basis functions and a new inverse problem is posed: identify the amplitudes of basis functions based on photoelastic observations. Just as the inverse problem of 3D photoelasticity, this newly posed inverse problem is also nonlinear and ill posed. Unlike conventional approaches to 3D photoelasticity, both these nonlinearity and ill-posedness are properly treated using a load incremental approach. Load incremental approach chops the nonlinear solution space into segments with unique solutions by conducting photoelastic observations at sufficiently small increments in external load. Validating both numerically and experimentally, it is shown that this new stress field tomographic method has sufficient robustness against errors in photoelastic observations and is applicable to experimental stress measurements.     

自由-自由运行体系动态载荷反演问题研究

对自由-自由运行体系动态载荷识别问题进行深入研究,将自由-自由运行体系振动积分方程时域离散化,建立了体系动态载荷反演的力学模型。在动态载荷反演模型求解过程中,由于结构矩阵的病态特性以及测量噪声的影响,常规最小二乘法往往失效;通过对载荷反演模型进行奇异值分解,指出该病态问题的本质,并提出相应的正则化求解方法。数值仿真表明了本文方法能够得到满足工程要求的稳定近似解。本文研究对于实际飞行器运行过程所受动载荷评估具有一定的意义。     

半空间SH波方程非线性井间双参数反演

以半空间的ＳＨ波方程出发,采用Ｂｏｒｎ迭代法求解半空间弹性介质中密度和剪切模量分布的非线性反演问题。首先,采用矩量法和正则化方法,给出井间反演积分方程的离散形式,然后应用Ｂｒｏｎ迭代法求解非线性反演问题。