鼻腔手术对OSAHS患者治疗效果的数值分析

对3名伴有鼻阻塞的OSAHS患者术前术后的上气道结构包含软腭组织进行三维重构,采用数值模拟的方法研究这3名患者手术前后,上气道气流分布以及软腭的运动情况,分析鼻腔手术对OSAHS患者的治疗效果.3名患者手术后鼻腔通气程度均得已改善.两名轻度OSAHS患者手术后上气道阻力减小,软腭位移均比术前减小,这些变化均有助于缓减呼吸时气流受限情况.而第3名重度患者手术后上气道阻力和软腭位移反而增加,这将会进一步加重气道的阻塞程度.鼻部手术对OSAHS患者的治疗效果取决于上游鼻腔通气程度的改善能否对下游咽腔产生有益的影响.数值模拟结果与PSG监测结果及其主诉情况相符,与现阶段临床有关的研究结论相一致,能够间接反映术后气道通气程度以及打鼾症状是否改善,为进一步解决临床的疑难问题提供了理论依据.     

弹塑性变形油藏中多相渗流的数值模拟

基于流固耦合力学理论,建立了弹性变形油藏中多相渗流的数学模型,该模型考虑了渗流与变形的耦合作用,以及注采交变载荷作下油藏多孔介质的弹性变形特征,给出了耦合数值模拟方法和算例。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

基于流固耦合的跨声速压气机叶片静气动弹性分析

采用时域推进的双向流固耦合方法对一级跨声速压气机叶片流场和固体域进行数值模拟,研究跨声速转子叶片静气动弹性变形及其对气动性能的影响,对比分析了100%转速下转子叶片的气动特性和固有频率的变化.结果表明:转子叶片在气动力和离心惯性力共同作用下的弹性变形以扭转变形为主,气动力对叶尖前缘变形量的影响可达总变形量的20%.转子叶片变形后通道流通能力增强,气动特性曲线向大流量方向偏移.     

考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.      

基于拓扑优化的结构弹性成像方法

弹性模量是工程材料重要的性能参数, 可以衡量物体抵抗弹性变形的能力. 弹性成像是一种通过弹性模量表征生物体组织物理特性的医学成像方法. 为了将弹性成像应用于机械装备结构的缺陷识别, 提高弹性成像的局部表征和全局识别能力, 提出一种基于拓扑优化的结构弹性成像方法. 受拓扑优化理论启发, 采用结构离散单元的相对密度(弹性模量系数)作为弹性成像参数来表征损伤程度, 建立成像参数与弹性模量的插值模型, 基于有限元模型构建损伤表征、结构模型与物理响应的映射关系. 以损伤结构和无损结构位移响应的最小二乘为目标函数, 以成像参数上下限为约束, 建立结构弹性成像的优化模型. 以伴随法推导弹性成像问题的灵敏度, 并详细给出了弹性成像反演的数值实施方式. 二维悬臂梁和米歇尔梁算例表明, 本文提出的基于拓扑优化的弹性成像方法无需先验损伤信息, 可有效实现均质/非均质、单/多缺陷结构的弹性成像, 且弹性成像结果不依赖于特定的边界条件, 进一步将弹性成像方法扩展至三维悬臂梁问题验证了其通用性.      

闭孔泡沫铝材料十四面体模型的改进

基于对闭孔泡沫铝发泡过程更为合理的假设,提出了描述胞体结构的改进的十四面体模型,使之可以反映密度增大时质量集中于支柱和顶点的情况。采用有限元方法及耦合边界条件,研究了闭孔泡沫铝的相对弹性模量、泊松比等弹性特征与胞体参数的关系,给出了拟合的弹性模量的计算公式,并对模型在弹性压缩变形下应力分布进行了分析。通过与已有模型的比较表明,改进模型可以较好地模拟闭孔泡沫铝材料的弹性性能。     

虚拟手术中人体软组织超粘弹性建模及穿刺仿真

以肝脏软组织为研究对象,给出了采用CT数据文件和Mimics、GeomagicStudio12构建几何模型的方法,研究了超弹性与粘弹性模型的特点以及应力变化特性。在此基础上提出了两种材料的并联复合模型——超粘弹性模型;同时,针对不同的模型,采用ANSYS软件对手术针穿刺肝脏软组织进行了有限元分析。仿真实验证明,多种材料的并联复合软组织结构模型更符合实际应力特性,整个穿刺过程主导特性依次为"超弹性-粘弹性-超弹性"。通过对比试验发现,该复合模型比单个模型更符合实际效果,有效地提高了虚拟手术软组织建模的精度。     

平流层飞艇绕流场与柔性变形的数值模拟

处于平流层流场中的飞艇,其整体刚度较小,为柔性体,可视为弹性薄膜结构,外围的流场的状态分布与其形状有着密切的关系,从本质上说是一个流固耦合问题。本论文以此为背景,分析了平流层飞艇的外围流场与柔性蒙皮变形的非动态耦合关系。我们采用叠代计算方法来处理这一问题,其中飞艇的三维流场的计算本文采用基于有限体积法的压力修正SIMPLE算法,而飞艇弹性变形的数值模拟计算应用了薄壳无矩理论。本文比较了气动弹性变形和静态超压变形两种不同情况下的飞艇流场压力分布以及气动参数,分析了飞艇变形与流动参数、气动荷载变化的关系。     

基于中间构形的大变形弹塑性模型

在大变形弹塑性本构理论中,一个基本的问题是弹性变形和塑性变形的分解.通常采用两种分解方式,一是将变形率(或应变率)加法分解为弹性和塑性两部分,其中,弹性变形率与Kirchhoff应力的客观率通过弹性张量联系起来构成所谓的次弹性模型,而塑性变形率与Kirchhoff应力使用流动法则建立联系;另一种是基于中间构形将变形梯度进行乘法分解,它假定通过虚拟的卸载过程得到一个无应力的中间构形,建立所谓超弹性-塑性模型.研究了基于变形梯度乘法分解并且基于中间构形的大变形弹塑性模型所具有的若干性质,包括:在不同的构形上,塑性旋率的存在性、背应力的对称性、塑性变形率与屈服面的正交性以及它们之间的关系.首先,使用张量函数表示理论,建立了各向同性函数的若干特殊性质,并导出了张量的张量值函数在中间构形到当前构形之间进行前推后拉的简单关系式.然后,基于这些特殊性质和关系式,从热力学定律出发,建立模型在不同构形上的数学表达,包括客观率表示的率形式和连续切向刚度等,从而获得模型所具有的若干性质.最后,将模型与4种其他模型进行了比较分析.      

基于中间构形的大变形弹塑性模型

在大变形弹塑性本构理论中,一个基本的问题是弹性变形和塑性变形的分解.通常采用两种分解方式,一是将变形率(或应变率)加法分解为弹性和塑性两部分,其中,弹性变形率与Kirchhoff应力的客观率通过弹性张量联系起来构成所谓的次弹性模型,而塑性变形率与Kirchhoff应力使用流动法则建立联系;另一种是基于中间构形将变形梯度进行乘法分解,它假定通过虚拟的卸载过程得到一个无应力的中间构形,建立所谓超弹性–塑性模型.研究了基于变形梯度乘法分解并且基于中间构形的大变形弹塑性模型所具有的若干性质,包括:在不同的构形上,塑性旋率的存在性、背应力的对称性、塑性变形率与屈服面的正交性以及它们之间的关系.首先,使用张量函数表示理论,建立了各向同性函数的若干特殊性质,并导出了张量的张量值函数在中间构形到当前构形之间进行前推后拉的简单关系式.然后,基于这些特殊性质和关系式,从热力学定律出发,建立模型在不同构形上的数学表达,包括客观率表示的率形式和连续切向刚度等,从而获得模型所具有的若干性质.最后,将模型与4种其他模型进行了比较分析.     

流固冲击载荷下弹性约束加筋板的非线性动力响应

本文在考虑大变形、忽略阻尼影响的情况下,基于高散加筋板模型,对具有弹性约束边界的加筋板在流固冲击载荷下的非线性瞬态响应进行了理论研究.取样条函数作为挠度试函数,运用加权残值法求得加筋板动力响应的控制方程,采用四阶Runge-Kutta法求解该方程,并用Fortran语言编制了相应的计算程序.构造的B样条函数能适应板侧边上的任意弹性转动约束.文中不仅分析了不同的冲击载荷形式对加筋板动力特性的影响,还讨论了载荷峰值、冲击栽荷持续时问、加强筋和弹性转动约束的影响.     

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.      

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能来连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。     

基于弹性变形理论的钢管混凝土短柱承载力计算理论研究

为解决工程中得到广泛应用的钢管混凝土结构承载力计算问题,在总结分析已有钢管混凝土短柱承载力计算理论的基础上,利用弹性变形理论,推导出了钢管混凝土短柱极限承载力计算公式,利用推导得出的计算公式,对混凝土的泊松比趋近于零、混凝土的弹性模量趋近于零、钢管和混凝土的弹性模量和泊松比都相等、钢管和混凝土的泊松比相等而其弹性模量不等、钢管混凝土短柱端面上混凝土凸出或凹进的影响等六种条件下,钢管混凝土结构的承载情况进行了分析.     

热超弹性薄板非对称拉伸的分岔和稳定性

本文应用超弹性材料的有限变形理论分析了在面内等双向拉伸死载荷作用下不可压热超弹性方形薄板发生非对称变形的分岔及其稳定性问题.给出了方板变形的分岔曲线和临界载荷,发现对受面内等双向拉伸载荷作用的均匀方板,当拉伸载荷值较小时,方板双向等伸长变形,发生对称的拉伸变形;但当此载荷值大于某一临界值时,从方板的对称拉伸变形中分岔出非对称的变形,方板在两个方向的变形不再相等.通过变形发生分岔前后的能量比较发现,分岔后的对称变形是不稳定的,而非对称变形是稳定的.同时,给出了板中的应力分布曲线,并由不同温度下变形的分岔曲线和应力分布曲线讨论了温度对方板变形和板中的应力分布的影响.     

薄壁细胞受微吸管与探针共同作用接触模型及数值模拟

建立了以典型的薄壁球型植物细胞为原型的细胞、微吸管及探针接触模型.模型的细胞壁采用封闭球形薄膜,其本构关系为体积不可压超弹性,膜球内充满有压流体以模拟细胞质.应用轴对称几何非线性方法得出了基本微分方程组,并应用龙格-库塔法进行了求解;同时,应用流固耦合有限元法进行了数值模拟以资比较.两种方法得出了较为一致的变形和应力分...     

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

光弹性方法中的地基模拟

当用光弹性模型研究土地基上的弹性结构的应力时,结构及模型材料的弹性模量(E_(ep),E_(em))和地基及模拟地基材料的弹性模量(E_p,E_m)应该满足E_(ep)/E_p=E_(em)/E_m。本文提供的地基模拟方法,在保持土的变形特点的情况下,E_m=1.54kg/cm~2(在115℃时)。首次使 E_(em)/E_m=123。     

考虑湍流模型的板片空间结构风荷载下流固耦合模拟

大跨空间结构凭借其新颖的外形和较大的内部空间,已经成为常用的建筑结构.由于大跨结构刚度、质量较小,受到风荷载作用时力学响应较一般结构大,同时大跨结构附近极易出现湍流影响.本文基于显式大涡模拟(ILES)和S-A (Spalart-Allmaras)湍流模型,使用ABAQUS软件对矢跨比为1:2的空间板片结构在不同风速下的风压系数进行流固耦合(FSI)模拟.风速以及不同湍流模型对大跨板片风压系数分布的影响得到了考察,并与相关的风洞实验比较.同时对板片结构受风载的力学响应进行了分析.结果显示选用大涡模拟湍流模型和雷诺时均方程方法湍流模型的流固耦合板片空间结构模型得到的风压系数及其分布和风洞试验实测数据吻合均较好.