基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

一种脆性材料动态本构损伤参数的计算反求方法

提出一种利用平板撞击的瞬态速度剖面响应来反求陶瓷脆性材料的动态本构损伤参数的方法。通过数值模拟再现平板撞击试验中的正平面波在飞片、样品和窗口材料中的传播情况,分析了“样品/窗口”界面瞬态速度剖面响应与材料参数之间的映射关系,进而建立了用响应反求本构参数的反问题,且通过一些数值试验验证该反问题是适定的。基于平板撞击速度剖面响应反求的方法,为快速地获得高应变率下一些传统方法难以测定出的本构参数提供新途径。     

宏微观耦合本构模型参数识别取值范围研究

宏微观耦合本构模型的参数识别往往通过反分析方法进行,为了使参数识别结果具有高的置信度,需要确定合适的参数取值范围. 基于动态再结晶过程的微观机理以及相应本构方程的数学特征,提出一个确定参数取值范围的方法. 首先详细给出考虑动态再结晶的黏塑性本构模型,并根据模型构造物理机理,提出通过6 步确定该模型参数取值范围的方法;其次,对300M 低合金钢进行不同温度、应变速率下的热变形试验,测试宏观的流动应力-应变数据及微观的组织数据;然后应用提出的方法,依据试验数据,确定参数取值范围;最后,基于确定参数取值范围中获得的知识,对模型进行局部修改,使模型模拟结果更接近实验结果.      

STUDY ON THE PARAMETER VALUE DOMAIN OF MACRO-MICRO CONSTITUTIVE MODEL

宏微观耦合本构模型的参数识别往往通过反分析方法进行,为了使参数识别结果具有高的置信度,需要确定合适的参数取值范围. 基于动态再结晶过程的微观机理以及相应本构方程的数学特征,提出一个确定参数取值范围的方法. 首先详细给出考虑动态再结晶的黏塑性本构模型,并根据模型构造物理机理,提出通过6 步确定该模型参数取值范围的方法;其次,对300M 低合金钢进行不同温度、应变速率下的热变形试验,测试宏观的流动应力-应变数据及微观的组织数据;然后应用提出的方法,依据试验数据,确定参数取值范围;最后,基于确定参数取值范围中获得的知识,对模型进行局部修改,使模型模拟结果更接近实验结果.     

一种陶瓷脆性材料动态本构参数的计算反求方法

提出了一种利用反射波和透射波响应反求陶瓷脆性材料动态材料本构参数的方法.通过数值模拟分析哑铃形试件在加载和测试中能有效地消除动态应力波的应力集中,从而得到有效的动态压缩强度,因此该文利用哑铃形得到的可靠反射波和透射波响应做反求输入信息.应用遗传算法,根据反射波和透射波响应反求材料本构参数,避免了应力波效应和应变率效应解耦的问题,不必分离结构响应和材料响应,从而快速地获取参数.     

混凝土爆破损伤的SPH-FEM耦合法数值模拟

为了提高计算效率以及更好展现爆炸荷载下混凝土破坏过程,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破成坑进行模拟。首先结合前人给出的C30混凝土Holmquist-Johnson-Cook（HJC）部分本构参数,通过理论推导等方法确定出剩余的参数;然后代入模型中计算,将数值解与实测数据进行对比;最后以峰值压力和峰值加速度作为考察对象,对HJC模型中21个参数敏感性进行分析。结果表明:SPH-FEM耦合法能直观地模拟爆炸荷载作用下爆坑的发展全过程,且能够较好地处理SPH边界问题;基于所给出的C30混凝土HJC本构参数,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破破坏进行模拟,计算结果与实测数据吻合度高,表明HJC本构参数的确定具有合理性。此外,还发现HJC本构参数对爆破问题结果的敏感度各不相同,指出对峰值压力和峰值加速度均有较大影响的参数在确定的时候需引起足够的重视。     

JC本构参数反求中的自适应微型遗传算法

提出自适应微型遗传算法,使种群的交叉和变异概率可以根据适应度的大小自我调节,该算法经过了测试函数的测试。本文以JC(Johnson-Cook)本构模型描述的高导无氧铜材料为例,集成运用该算法和有限元方法来反求JC动态本构参数。结果表明,该方法提高了收敛速度和搜索效率,能够快速地获取参数。     

泰勒杆实验对材料动态本构参数的确认和优化确定

通过实验数据和数值模拟结果的对比,研究了泰勒杆实验在材料动态本构关系参数确认和优化方面的应用。以Johnson-Cook模型描述的oxygen-free high-conductivity（OFHC） copper材料为例进行了具体说明,并对实验中的部分不确定因素进行了分析。结果表明,利用该方法对材料本构模型参数进行确认和优化确定是合理的。     

基于能量守恒理论的带肋钢筋-混凝土粘结滑移本构关系研究

针对钢筋-混凝土粘结滑移的劈裂破坏模式,将整个破坏过程分为未开裂的弹性阶段和带裂缝阶段。弹性阶段采用弹性厚壁圆筒模型,带裂缝阶段采用考虑混凝土软化特性的厚壁圆筒模型。基于这两种模型,研究了粘结滑移劈裂破坏过程的能量变化规律,推导出了两种模型的能量计算公式。利用能量守恒定律建立了钢筋-混凝土粘结滑移本构关系的微分方程,并通过数值积分方法得到了粘结滑移本构模型。该本构模型能够体现混凝土与钢筋材料参数和几何参数的影响,对不同形状的粘结滑移关系曲线具有较好的适应性。最后,将得到的本构关系与文献的试验结果进行对比,并分析了各参数的变化规律。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

深部地下工程岩爆预测的筛选蚁群聚类算法

为了提高仿生聚类算法的计算效率,对传统的蚁群聚类算法进行改进,采用数据合并机制提出了 一种筛选蚁群聚类算法。采用筛选蚁群聚类算法,在岩爆工程实例资料分析的基础上,基于工程类比的思想 判断岩爆的发生状态,提出了一种深部地下工程岩爆预测的新方法。通过多个煤矿深部地下工程岩爆实例的 应用研究证明,和传统的蚁群聚类算法相比,在不显著增加计算难度和复杂度的情况下,新算法对工程实例的 判断准确率更高,其准确率达92%,计算效果更好;而且,计算速度有较大幅度的提高,其计算时间缩短近 40%,说明新算法的计算效率更高。因此,筛选蚁群聚类算法是一种比较实用的岩爆预测新方法,值得在深部 地下工程岩爆研究领域推广应用。     

弹丸侵彻混凝土加速度信号测试及分析

针对弹丸侵彻混凝土加速度信息获取及实测信号失效问题,采用弹载存储测试系统进行了实验,并基于LS-DYNA进行了高速碰撞过程的数值模拟,经处理后的数据曲线与实测侵深符合较好,数值模拟计算结果与实验结果较吻合。通过实验分析与理论推导相结合的方式对应力波、测试装置的基础运动和安装结构刚度、加速度计安装方式等部分影响因素进行了实测加速度信号的影响分析,分析结果对高g值冲击测试问题具有一定的参考价值。     

水下爆炸近场非均熵流的特征线差分解法

提出了一种改进的特征线差分方法,根据力学基本方程推导出2族带有熵变修正项的特征线方 程,并将质点迹线方程补充为第3族特征线方程,利用这3个特征线方程可以对水下爆炸冲击波及波后的非 均熵流场进行求解。由于特征线差分法无需引入人工粘性项处理冲击波间断问题,所以减少了人为干预的影 响因素。最后,应用这种改进的特征线法对质量分数比w(TNT)∶w(RDX)=40∶60的TNT/RDX炸药球 的水下爆炸问题进行了数值模拟。在比例距离1R/R04的近场范围内,计算得到的冲击波峰值压力与文 献实验数据的最大相对误差在13.1%以内,进一步证明了这种改进的特征线差分方法的正确性。     

隔振沟对爆炸塔周边地表振动的影响

对内径2m、壁厚0.4m 的椭球封头爆炸塔进行有、无隔振沟条件下的对比爆炸实验,并监测塔体 周边6个测点的地表竖向及水平方向的振动速度。研究结果表明:地表质点的振动持续时间小于0.2s,竖向 振动频谱在20~500Hz范围内,水平方向振动频谱则在200~800Hz范围内;隔振沟使水平方向振动幅度衰 减至原来的1/10,对竖向振动幅度衰减至原来的1/4~1/3,对地表振动频率无明显影响;爆炸塔隔振沟的深 度为1m 时,对爆炸地震波无任何衰减作用,仅当深度达到1.5~2.0倍瑞利波波长时(5.6~7.5m)才会产 生明显的隔振效果。     

带空腔爆轰产物驱动准等熵加载技术与反积分数据处理技术

化爆加载技术常用来研究材料在冲击作用下的动态响应特性。通过在炸药与样品之间留一段空 隙的办法,实现爆轰产物驱动的无冲击加载飞片技术用于研究材料在弱冲击或无冲击加载条件下的动态响 应特性,利用二维程序模拟了整个实验过程,提出了装药直径对实验结果的影响。并利用反积分数据处理技 术对实验数据进行了处理与分析。     

异形传爆药柱的起爆能力

钝感主装药的出现,对引信爆炸序列中的传爆药柱提出了更新的要求,传统的圆柱形传爆药柱很 难适应钝感主装药的可靠引爆要求。因此,本文中综合运用炸药冲击起爆理论、有效装药理论、聚能效应、拐 角效应,设计了异形传爆药柱。利用主装药变组分法和主装药轴向钢凹法研究了异形传爆药柱的起爆能力。 实验结果表明:在相同的条件下,异形传爆药柱的起爆能力强于圆柱形传爆药柱的起爆能力;在其他参数不变 的情况下,异形传爆药柱的起爆能力受面积效应系数的影响,随着面积效应系数的增大,起爆能力增强。设计 的异形传爆药柱能够满足钝感弹药爆炸序列的要求。     

舰用动爆冲击波记录系统的设计与应用

利用抗恶劣环境的存储测试技术,以单片机和CPLD为主控芯片,设计了一种舰用动爆冲击波记 录系统。系统具备内、外触发功能,采用光纤传输触发信号,提高触发电路的抗干扰能力,确保系统具有同一 时间基准和可靠触发。通过激波管校准实验和舰船实验,系统成功记录了冲击波信号,证明了该系统具有良 好的实用性和可靠性。     

超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻性能研究

采用普通混凝土成形工艺和热水养护制度,制备出了抗压强度120~250 MPa的超高性能水泥基 复合材料。在获得优异静态力学性能的基础上,进行了超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻研究,分析了侵 彻过程中的靶体破坏形态。根据获得的侵彻深度数据,在J.T.Gomez等提出的多次侵彻模型基础上,修正了 与靶体抗压强度有关的多次侵彻深度计算经验方程。     

采用泄爆管的粉尘爆炸在泄放过程中的压力特性

以2m 铝粉为介质,在内径68mm、高305mm 的钢制圆柱容器顶端连接内径25mm、不同长度 的钢制泄爆管,开展了粉尘爆炸泄放实验。通过分别改变泄爆管长度及粉尘的质量浓度,研究粉尘爆炸泄放 过程中容器及泄爆管内的压力特性,重点在探索泄放过程中二次爆炸发生的条件。结果表明,在本实验条件 下,当泄爆管长度LT1500mm,粉尘质量浓度500g/m3 时,泄爆管内发生二次爆炸的几率很高。二次 爆炸产生的压力波分别向爆炸容器及泄爆管末端2个方向传播。向爆炸容器传播的压力波阻碍并扰乱泄放 过程,导致容器内残余未燃粉尘反应,使容器内压力出现二次峰值。     

工程岩体中多弹重复打击效应的数值模拟分析

根据现场岩体特性,将岩体剖分为结构体和结构面2部分,针对结构体构建了均质岩石本构模型,而后依据结构面分布特性,构建了考虑天然岩体非均质性的空间块体模型。采用这一空间块体模型,对重复打击效果进行了大量数值模拟分析,数值模拟与现场实验结果基本一致,两者均表明,因受残余弹片、命中点偏差和岩体非均质性等因素综合影响,多弹重复打击破坏深度存在着一个极限值。