虚拟实验技术在化学实验教学中的应用与实践

虚拟实验技术是在虚拟现实技术基础上发展起来的一种新型实验教学模式,它利用仿真、网络、传感、多维动画等技术弥补了真实实验危险、耗时长、现象不明显等不足,特别是在微观展示、反应机理模拟以及易燃易爆等实验教学上有着不可替代的作用。采取抽样调查、问卷、访谈等方式调查了我国虚拟实验在化学实验教学中的应用现状,并通过案例实践验证了虚拟实验在化学实验教学中的作用与成效。     

腰椎运动链训练系统对腰椎间盘突出症患者术后腰椎功能与生物力学的影响

探讨腰椎运动链训练系统对腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation, LDH)术后腰椎功能与生物力学的影响。通过选取河南省信阳市中心医院收治的122例LDH患者,随机数字表法分组,各61例。两组均行手术治疗,对照组采取常规训练,观察组基于对照组采取腰椎运动链训练系统。比较2组干预效果。干预12周后、24周后观察组健侧、弱链侧平均振幅值、步幅、步频、腰背伸展状态平均功率(AP)、腰背伸展状态平均功率(PT)高于对照组,VAS评分及腰背屈/伸比(F/E)低于对照组(P<0.05);干预24周后观察组SF-36、BI评分高于对照组(P<0.05)。腰椎运动链训练系统可缓解LDH术后疼痛,改善下肢步态,恢复腰椎功能及生物力学,提高生活质量。     

飞行器性能样机虚拟试验系统研究与实现

为实现航天飞行器研制中性能样机模型的充分利用,提出了飞行器性能样机虚拟试验系统的总体方案,通过试验基础数据库、试验数据管理、验证辅助工具、虚拟试验应用等子系统划分和工作流程设计,提供对虚拟试验的全流程支持。系统突破了试验数据对象化管理、试验流程建模等关键技术,并基于虚拟试验支撑平台VITA完成了相应系统实现,在多个飞行器研制过程中开展了典型应用。     

轮式机器人轨迹跟踪控制系统的设计

针对轮式机器人轨迹跟踪控制系统误差收敛速率低、精度和实时性差的问题,采用反演控制算法并结合李雅普诺夫稳定性分析方法对轮式机器人的轨迹跟踪系统进行了优化设计。建立了轮式机器人轨迹跟踪控制系统的运动学模型,并对该模型进行位置偏差分析;在反演控制算法中引入了分部虚拟控制量,并分析和设计了其他间接受控量,提高了算法运行的效率;采用李雅普诺夫收敛定理对系统的收敛性进行分析,根据分析的结果提出了算法更加简单的控制律。利用Matlab软件的Simulink库对设计的轨迹跟踪控制系统试验研究。结果表明,与基于李雅普诺夫直接法或者迭代学习算法设计的轮式机器人轨迹跟踪控制系统相比较,设计的控制系统具有跟踪精度高、收敛速度快、实时性好的优点。     

求解三维裂纹前缘SIF分布时间历程的通用权函数法和有限变分法

将三维热权函数法扩展为适用于表面力、体积力和温度载荷的通用权函数法(UWF).推导出以变分型积分方程表达的UWF法基本方程,从变分的角度,将求解三维热权函数法基本方程的多虚拟裂纹扩展法(MVCE)改造为可以适用于一般的变分型积分方程的一类新型数值方法--有限变分法(FVM).在FVM中可以引入无穷多种线性无关的局部变分模式,可以根据计算要求在求解域中插入任意多个计算节点,单一型裂纹问题FVM所得到的最终方程组的系数矩阵总是一个对称的窄带矩阵,而且对角元总是大数,具有良好的数值计算性能.FVM对于SIF沿裂纹前缘急剧变化的复杂情况具有较好的数值模拟能力和较高的计算精度,利用自身一致性,可以求得三维裂纹前缘SIF的高精度解.     

一种抗单元逆转的软组织有限元模型

由于Green应变具有单元翻转不变性,在大变形的仿真中有可能会出现单元的逆转,破坏模型网格的拓扑结构,导致仿真失败,因此提出一个新的有限单元模型,在采用Green应变度量变形同时把单元体积变化率和单元内压强关系引入到本构方程中,解决单元逆转问题;同时,模型导出的单元弹性势能是单元结点位移的多项式函数,有效地简化了共轭梯度法的求解,效率显著提高.实验结果表明,该模型可以应用于软组织大变形的实时仿真中.     

不确定动力系统平稳随机响应分析

由于设计、建造以及测量等诸多不确定因素的影响,通常的有限元力学分析模型只是原型结构的一种均值近似,采用随机结构模型是更为合理的.本文应用随机矩阵模拟不确定线性动力系统有限元模型中质量阵、阻尼阵和刚度阵的随机不确定性,并进一步建立此类非参数概率系统在平稳随机外载作用下动力响应的虚拟激励高效求解算法.数值结果表明,均值有限元模型和随机矩阵模型的动力响应具有很大的差异.对于精细制造,模型的随机性是不能忽略的,本文提出的算法为此类问题求解提供了一条有效途径.     

基于虚拟点探测器的虚拟点源效率刻度技术

主要针对尺寸为?75 mm×25 mm的241Am标准体源HPGe探测器探测效率展开研究,通过LabSOCS软件模拟及蒙卡计算研究发现,使用同一种结构类型的探测器测量特定形状的体源,其虚拟点探测器位置与虚拟点源位置满足线性、二次函数、指数等关系。针对确定的探测器,通过点源在对称轴线上不同高度位置实验就可以标定出虚拟点探测器位置,再结合它们的线性函数进一步计算出虚拟点源位置,最后将点源放置于虚拟点位置刻度即可得到体源的探测效率。因此,该技术方法首次提出通过虚拟点探测器位置找到了虚拟点源的位置,是一种全新的刻度方法,已达到实际应用的程度,可以大面积推广应用该技术成果。     

基于逆虚拟激励法的垂向轨道不平顺功率谱识别

提出一种识别轨道垂向不平顺功率谱的新方法.采用定点激励的垂向车辆-板式轨道耦合动力学模型.车辆简化为多刚体模型,板式轨道考虑为3层梁模型,并通过线性轮轨力耦合车辆模型和轨道模型.以轴箱加速度作为测量对象,采用逆虚拟激励法识别垂向轨道不平顺的功率谱,并研究了测量误差和车辆运行速度对垂向轨道不平顺的识别精度的影响.数值结果表明,本文方法能够较为准确地识别垂向轨道不平顺功率谱,为列车运行环境载荷识别与评估提供了新的途径.     

六自由度电磁探测的快速数值算法

提出一种六自由度电磁探测的快速数值算法,对500 mm×500 mm×500 mm范围内的空间磁场进行数值仿真,并与电流环近似算法和严格算法进行比较,归一化计算时间比为10⁶:70:1,结果表明该算法可行可靠.最后讨论怎样有效地克服螺线管线圈的有限长效应引起的偏差,从而进一步提高探测系统的探测精度及稳定性.