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.      

一种考虑剪切作用的各向异性超弹性本构模型

基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种轮胎帘线/橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型. 应变能被分解为分别代表橡胶、帘线、帘线/橡胶之间的角剪切和正剪切应变能4个部分. 给出了模型参数的简单确定方法,通过拟合文献中的实验数据,得到了本构模型参数,并用该模型预测了其他变形条件下的力学行为,得到了和实验数据较一致的结果,验证了该模型的有效性,为整体轮胎的有限元分析打下了基础.     

混凝土材料动态本构参数的分阶段计算反求技术

基于不同应变率下的分离式Hopkinson压杆实验,提出了一种混凝土材料动态本构参数的分阶段反求方法。该分阶段反求方法中,结合不同的实验模型对未知参数进行敏感性分析,并依据敏感程度对参数进行分类,每类参数对应于1组实验,再利用反求方法分阶段确定各类参数,在每一类参数反求时均将上一次反求结果作为已知条件。结果表明,该分阶段反求方法充分利用所有实验的测量响应信息,能快速获取混凝土本构中较难确定的关键参数,为参数的确定提供了一种有效的途径。     

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.     

基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数,建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数,确定本构模型参数的调整区间;使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集;建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型;通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性,进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟,计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小,表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法,该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试,获得比较准确的材料本构模型参数。     

闭孔泡沫铝的多轴唯象受压本构参数

基于显微计算机断层扫描影像信息, 逆向重建闭孔泡沫铝试件的三维细观有限元模型, 定量研究闭孔泡沫铝在多轴压缩载荷作用下的大变形力学行为. 讨论了泡沫金属唯象弹塑性本构参数的确定方法, 根据计算结果确定了3 个有代表性的泡沫材料本构模型的本构参数, 并验证了这些本构模型在描述多轴压缩应力状态下的精度. 研究表明, 对于单轴压缩, 3 个本构模型的屈服面均有很好的精度;对于静水压缩, 有限元软件"ABAQUS"的可压缩泡沫本构模型屈服面会发生严重偏离, 陈-卢本构模型"屈服面" 略微低估静水压缩的屈服应力, 而体积强化本构模型的屈服面有很好的精度.      

硅泡沫的超弹压缩和应力松弛的不确定性表征

硅泡沫垫层材料由于制备过程中的发泡随机性,在实验测试中往往表现出单轴压缩和应力松弛性能的分散性。本文基于二阶Hyperfoam超弹性本构模型和二阶Prony应力松弛级数模型,由实验数据的规律性,从不确定性量化角度引入各材料参数的相关性,将多参数不确定性转化为单个参数不确定性,分别建立了形式简单且能够表征不确定性因素的超弹压缩和应力松弛本构模型。在此基础上,分别联合实验统计的单值压缩数据和单值松弛数据,反演出了完整的超弹性本构曲线和应力松弛曲线,与实验结果吻合较好,误差不超过2%,合理地预测了材料的压缩和松弛性能演化规律,并为数值模拟提供了直接的材料参数输入条件。     

泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究

应用Chen和Lu提出的适用于可压缩弹塑性固体的唯象本构模型框架，建立了泡沫铝的准静态本构模型，推导了三维等比例加载和环向受约束轴向加载下的宏观应力-应变曲线. 对两种泡沫铝材料(开孔和闭孔)进行了4类准静态试验，即单轴压缩、三维静水压缩、三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩实验. 利用单轴压缩和三维静水压缩的实验结果得到了泡沫铝材料的本构参数曲线，并由此预测它在三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩情况下的响应. 理论预测与相应实验结果相比较，三维等比例压缩的结果比较吻合，但与侧向受约束轴向压缩的结果却相差很大. 分析表明，理论预测与侧向受约束轴向压缩实验结果的偏差是由于泡沫铝试件与约束筒之间的摩擦造成的. 研究结果说明, Chen-Lu模型能够很好地描述泡沫铝材料在压缩占主导的应力状态下的响应.     

双基推进剂的高应变率力学特性及其含损伤ZWT本构

为了解双基推进剂在冲击载荷下的力学特性及本构行为,利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）对双基推进剂进行了单轴压缩实验,并对实验数据的有效性进行了检验。用二波法对实验数据进行处理,得到了双基推进剂的应力应变曲线。实验结果表明:双基推进剂具有明显的应变率相关性,动态下屈服应力与静态下相比明显提高,且屈服应力表现为应变率对数的双线性关系;双基推进剂屈服应变表现为延脆转换特性,在低应变率下表现为延展性,高应变率下表现为冲击脆化特性。利用含损伤朱王唐（ZWT）本构模型对实验结果进行了拟合,得到了模型中的本构参数,并对损伤因子项进行了分析。通过模型预测曲线与实验曲线的对比,发现含损伤ZWT本构能较好地描述双基推进剂在0～0.14应变范围内的力学特性。     

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。     

Three-dimensional finite element simulations of ferroelectric polycrystals under electrical and mechanical loading

Complex, non-linear, irreversible, hysteretic behavior of polycrystalline ferroelectric materials under a combined electro-mechanical loading is a result of domain wall motion, causing simultaneous expansion and contraction of unlike domains, grain sub-divisions that have distinct spontaneous polarization and strain. In this paper, a 3-dimensional finite element method is used to simulate such a polycrystalline ferroelectric under electrical and mechanical loading. A constitutive law due to Huber et al. [1999. A constitutive model for ferroelectric polycrystals. J. Mech. Phys. Solids 47, 1663-1697] for switching by domain wall motion in multidomain ferroelectric single crystals is employed in our model to represent each grain, and the finite element method is used to solve the governing conditions of mechanical equilibrium and Gauss's law. The results provide the average behavior for the polycrystalline ceramic. We compare the outcomes predicted by this model with the available experimental data for various electromechanical loading conditions. The qualitative features of ferroelectric switching are predicted well, including hysteresis and butterfly loops, the effect on them of mechanical compression, and the response of the polycrystal to non-proportional electrical loading.     

基于POD-RBF代理模型的迭代更新反演方法

针对常规的水工大坝等大型工程结构参数反演需要耗费大量有限元正分析机时的问题,建立了具有较好反演精度和泛化性能的POD-RBF代理模型和快速迭代更新反演算法。基于有限元分析获得足量数据样本,利用POD提取本征向量,并使用RBF方法进行插值得到有限元模型的代理模型;同时结合粒子群算法的全局寻优能力和高斯-牛顿法的快速局部收敛优势,建立了一种新的高效率迭代反演方法,并应用于混凝土大坝分区弹性模量反演。结果表明,该方法适用于大坝等大体积混凝土结构的力学参数反演。同时,相较于传统的单一反演方法,该方法在反演效率和反演精度两方面均显示出优势。     

110甲基乙烯基硅橡胶材料参数的确定

应用INSTRON5544对110甲基乙烯基硅橡胶材料进行了单轴大变形压缩的力学特性测试。本文根据已有的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的本构关系,采用泰勒级数展开的办法获得了基于小变形的本构关系表达式。利用本文所得本构关系,将实验数据进行了非线性拟合处理,得到了相应的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数。拟合所得的名义应力-应变曲线与实测的名义应力-应变曲线吻合较好。利用非线性拟合所得的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数,应用ABAQUS软件进行有限元分析计算。通过有限元的分析计算,验证了Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型材料参数的正确性与可行性。     

Simulation of rate dependent plasticity for polymers with asymmetric effects

Polycarbonate is an amorphous polymer which exhibits a pronounced strength-differential effect between compression and tension. Also strain rate and temperature influence the mechanical response of the polycarbonate. The concept of stress mode dependent weighting functions is used in the proposed model to simulate the asymmetric effects for different loading speeds. In this concept, an additive decomposition of the flow rule is assumed into a sum of weighted stress mode related quantities. The characterization of the stress modes is obtained in the octahedral plane of the deviatoric stress space in terms of the mode angle, such that stress mode dependent scalar weighting functions can be constructed. The resulting evolution equations are updated using a backward Euler scheme and the algorithmic tangent operator is derived for the finite element equilibrium iteration. The numerical implementation of the resulting set of constitutive equations is used in a finite element program for parameter identification. The proposed model is verified by showing a good agreement with the experimental data. After that the model is used to simulate the laser transmission welding process.     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

Fatigue Life Estimation for an NBR Rubber and an Expanded Polyurethane

In this paper, we deal with the mechanical behavior of elastomeric materials subjected to high cyclic loading in cases of high strain. First, a methodology for material parameter identification is used for a constitutive visco-hyperelastic law with discontinuous damage, modeling the Mullins effect. Then a fatigue model characterized by a strain energy density-based criterion is proposed and implemented in the finite element code, Code-Aster [1]. Two kinds of elastomer are considered, an incompressible rubber and an expanded compressible polyurethane. Cyclic tensile tests were performed to identify material fatigue parameters. Finally, a numerical application using a finite element model is presented. This model is a plate perforated by a ?6 mm hole for the first sample and a ?10 mm hole for the second one. The results obtained from the finite element model are compared to experimental results.     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。