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三维弹塑性固体大变形分析的无额外自由度广义有限元法
1
作者 马今伟 白铭 段庆林 《计算力学学报》 北大核心 2025年第3期456-461,共6页
无额外自由度广义有限元法在保留标准广义有限元法高阶插值特性的同时,还消除了额外自由度引发的求解规模扩大及线性依赖问题。使其在弹性分析中,相比于传统有限元表现出了计算精度高、收敛性好的优势,同时在平面问题的非线性分析中也... 无额外自由度广义有限元法在保留标准广义有限元法高阶插值特性的同时,还消除了额外自由度引发的求解规模扩大及线性依赖问题。使其在弹性分析中,相比于传统有限元表现出了计算精度高、收敛性好的优势,同时在平面问题的非线性分析中也展现出了良好潜力。将该方法推广和应用至三维弹塑性固体的大变形分析,一方面可以进一步探究其在非线性分析中的表现,另一方面则拓展了广义有限元法在非线性问题领域的应用。在非线性弹性和弹塑性两种材料的大变形分析中,将该方法同传统有限元和商软进行了对比,计算结果表明了该方法在精度方面的优势。 展开更多
关键词 广义有限元 额外自由度 非线性分析 弹塑性 大变形
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断裂相场模型的三维自适应有限元方法 被引量：3
2
作者 裘沙沙 刘星泽 +2 位作者 宁文杰 姚伟岸 段庆林 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第4期391-399,共9页
发展了鲁棒的预测-校正算法,建立了断裂相场模型的三维自适应有限元分析.相场模型可以方便地处理复杂的断裂问题,避免了额外追踪裂纹路径且没有网格依赖性.然而,三维相场建模往往需要非常精细的网格,这降低了求解效率.针对该问题,基于... 发展了鲁棒的预测-校正算法,建立了断裂相场模型的三维自适应有限元分析.相场模型可以方便地处理复杂的断裂问题,避免了额外追踪裂纹路径且没有网格依赖性.然而,三维相场建模往往需要非常精细的网格,这降低了求解效率.针对该问题,基于交错求解方案发展了预测-校正网格自适应细化算法,实现了三维结构裂纹扩展的高精度分析.数值算例表明,所发展的方法能够准确合理地描述结构的裂纹扩展,同时网格可以在裂纹扩展的路径上自适应地细化. 展开更多
关键词 断裂力学 相场模型 自适应细化 有限元法 三维裂纹
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基于可穿戴系统的全膝置换术前后步态生物力学对比研究
3
作者 毕濯玺 崔文权 +2 位作者 任长乐 冯鹿明 舒利明 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期654-654,共1页
目的针对现有全膝关节置换患者术前术后步态测试成本高昂、场地局限且无法定量评估患者损伤与恢复程度的问题,本研究基于可穿戴系统实现对患者步态生物力学特征高效率、低成本、高精度的定量评测,为患者的术后康复规划提供理论和实践指... 目的针对现有全膝关节置换患者术前术后步态测试成本高昂、场地局限且无法定量评估患者损伤与恢复程度的问题,本研究基于可穿戴系统实现对患者步态生物力学特征高效率、低成本、高精度的定量评测,为患者的术后康复规划提供理论和实践指导。方法使用惯性动作捕捉系统和足底压力分布测量鞋垫对10位接受全膝关节置换患者进行术前和术后1个月的步态数据采集,在患者独立无干预状态下,获得自适应速度行走的数据,并对运动学与动力学参数进行特征分析,采用单因素方差分析对数据进行组间各因素差异性对照分析。结果术后1个月与术前的步态特征相比,行进过程中手术侧腿的垂直地面反力均值减少5%,非手术侧腿的垂直地面反力增加8%;手术侧腿与非手术侧腿的足底压力中心轨迹长度差相较于术前减少(P<0.05);手术侧腿在步态周期中支撑相时间相较于术前增加12.33%,步长、步速和步频相较于术前都有所增长且差异具有统计学意义(P<0.05)。结论与全膝关节置换术前相比,手术侧腿所受垂直地面反力增加,且在步态周期内支撑期时间增加,患者在术后行走能力得到较大改善。通过对患者术前损伤与术后康复程度的检测与分析,对临床医生制定康复规划具有显著参考意义。 展开更多
关键词 全膝关节置换 于术 地面反力 单因素方差分析 步态周期 生物力学 行走能力 步态特征
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一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型
4
作者 冯鹿明 毕濯玺 +3 位作者 刘雅馨 冯如峰 舒利明 吕永涛 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期653-653,共1页
目的针对现有肌骨模型建模精度差,有限元模型计算效率低的问题,本研究创新性提出耦合两种模型建立一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型,实现多场景下人体动作的多尺度多物理的高精度、高效率耦合模拟。方法基于医疗影像数... 目的针对现有肌骨模型建模精度差,有限元模型计算效率低的问题,本研究创新性提出耦合两种模型建立一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型,实现多场景下人体动作的多尺度多物理的高精度、高效率耦合模拟。方法基于医疗影像数据在有限元环境中运用显示动态有限元法与参数化编程建立多尺度全身刚柔混合肌骨数字模型。其中肌肉采用希尔模型建模,胫股关节被建模为6自由度Cartesian-Cardan连接器;髌股关节具有前后、上下平移自由度和屈伸旋转自由度;其他关节建模为Join-Cardan连接器。并通过步态与肌肉激活数据对肌骨模型进行校准和优化。同时建立基于医疗影像数据特征的非线性变换的模型缩放算法,实现对肌骨模型的快速缩放。结果本研究建立的全身肌骨数字模型可实现针对特定受试者的个性化快速缩放,并可通过运动数据作为个性化边界条件输入驱动模型,从而进行身体与组织水平的相关研究。与单一的肌骨模型或有限元模型相比,其预测精度提高15%,个性化缩放效率提高60%,且计算效率大幅提升。结论本研究建立的全身肌骨数字模型具有建模精度与计算效率平衡的明显优势,可实现多场景下人体-关节-软组织跨尺度动力学研究,并为人工假体的在体多维性能评测提供数字化分析平台。 展开更多
关键词 人工假体 数字模型 髌股关节 数字化分析 非线性变换 运动数据 旋转自由度 人体动作
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基于亚洲人种解剖学特征的膝关节假体设计
5
作者 刘雅馨 崔文权 +3 位作者 任长乐 冯鹿明 冯如峰 舒利明 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期655-655,共1页
目的针对目前市面上膝关节假体大多基于高加索人结构特征设计的现状,本研究旨在设计一种基于亚洲人种膝关节解剖学特征的膝关节假体,以提高术后满意度。方法本研究基于亚洲人种膝关节MRI数据,通过特征提取与统计分析,指出亚洲人种膝关... 目的针对目前市面上膝关节假体大多基于高加索人结构特征设计的现状,本研究旨在设计一种基于亚洲人种膝关节解剖学特征的膝关节假体,以提高术后满意度。方法本研究基于亚洲人种膝关节MRI数据,通过特征提取与统计分析,指出亚洲人种膝关节相对于高加索人种具有显著性差异。采用有界双调和权重与迭代最近点算法相结合的网格配准方法对膝关节进行参数化重构和模型配准。采用PCA对重构模型进行点云坐标降维处理,构建亚洲人种膝关节平均模型,提取影响膝关节形状主成分因素。根据分析结果设计膝关节假体,基于人体肌骨数字孪生模型进行适配度分析、运动学和动力学仿真分析,将其与自然膝关节和市面主流膝关节假体产品进行比较以验证本研究的假体设计。结果本研究所设计的膝关节假体与亚洲人种膝关节具有更好的适配度,更符合亚洲人种膝关节生理特点。根据基于高保真膝关节有限元的运动学性能和动力学性能仿真结果,本研究设计假体优于所对比的其他产品,更接近于自然膝关节并能满足患者日常活动需求。结论本研究提出的基于亚洲人种特征的膝关节假体设计具有潜在临床应用前景,可以为亚洲人种患者提供更加个性化、精准的膝关节替代治疗方案,提高手术治疗效果和术后满意度。 展开更多
关键词 膝关节假体 术后满意度 假体设计 迭代最近点算法 解剖学特征 统计分析 人种特征 模型配准
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无额外自由度广义有限元的近不可压弹-塑性分析
6
作者 马今伟 段庆林 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第2期220-226,共7页
研究了常规有限元方法在近不可压弹-塑性分析中的体积自锁问题,并在广义有限元框架下引入无额外自由度的强化函数对此问题进行了改进.一方面,插值函数在引入强化函数后获得了更加丰富的近似空间,提高了在体积近似不变约束下正确反映结... 研究了常规有限元方法在近不可压弹-塑性分析中的体积自锁问题,并在广义有限元框架下引入无额外自由度的强化函数对此问题进行了改进.一方面,插值函数在引入强化函数后获得了更加丰富的近似空间,提高了在体积近似不变约束下正确反映结构变形的能力;另一方面,强化函数的建立不依赖额外自由度,从而消除了传统广义有限元方法中的线性相关性问题.分析并验证了常规有限元在线弹性、超弹性和塑性分析中的体积自锁问题具有不同的触发条件和表现形式.3个典型的数值算例表明,无额外自由广义有限元能有效地缓解体积自锁并得到准确合理的计算结果. 展开更多
关键词 广义有限元 额外自由度 近不可压 体积自锁 弹塑性 超弹性
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基于巴西盘试验的海冰破坏模式与拉伸强度研究 被引量：1
7
作者 王祥 陈晓东 季顺迎 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2023年第8期1221-1230,共10页
海冰拉伸强度是寒区海洋工程中的重要设计参数,也是影响寒区船舶及海工结构冰载荷的主要因素。为研究渤海海冰拉伸强度,开展系统的现场巴西盘劈裂试验。试样采用典型的柱状结构海冰,柱状冰晶长轴方向与圆盘的厚度方向相一致。结果表明:... 海冰拉伸强度是寒区海洋工程中的重要设计参数,也是影响寒区船舶及海工结构冰载荷的主要因素。为研究渤海海冰拉伸强度,开展系统的现场巴西盘劈裂试验。试样采用典型的柱状结构海冰,柱状冰晶长轴方向与圆盘的厚度方向相一致。结果表明:海冰拉伸强度对卤水体积、孔隙率较为敏感,随卤水体积的增加呈下降趋势;当孔隙率由85‰降低至10‰时,其拉伸强度由0.25 MPa升高至0.41 MPa;伴随冰温与卤水体积的变化,海冰巴西盘试样刚度表现出显著差异性;试样温度会影响裂纹的扩展速度与裂纹界面形态。研究成果可为海冰拉伸强度测定方法、海冰巴西盘劈裂试验参数研究和寒区船舶与海洋工程结构抗冰设计指标提供有益参考。 展开更多
关键词 柱状型海冰 巴西盘试验 拉伸强度 孔隙率 破坏模式
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凹形多面体离散单元的水平集函数接触算法 被引量：3
8
作者 王嗣强 薛一桢 +1 位作者 Michael Zhuravkov 季顺迎 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期291-298,共8页
多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,... 多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,本文发展了适用于凸形和凹形多面体颗粒材料的水平集函数接触算法。该方法通过点-三角形单元距离计算方法和奇-偶数判定方法建立多面体单元的零水平集函数和空间水平集函数,并对水平集函数进行三线性插值,可得到多面体单元间的单个或多个接触点。为检验水平集函数接触算法的可靠性,对球形和凹形多面体颗粒材料的堆积和倒塌过程进行离散元模拟,并分析颗粒形状对堆积密度和休止角的影响规律。 展开更多
关键词 离散元方法 凹形多面体 多接触点 水平集函数
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基于水平集-离散元方法的球谐函数颗粒材料缓冲性能分析 被引量：1
9
作者 刘芸松 王嗣强 季顺迎 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期538-545,共8页
在自然环境与工业领域中,颗粒材料是一种常见的缓冲材料,其中大量形态各异的非球形颗粒表现出复杂的力学特性并应用于不同工程领域。本文采用球谐函数构造不同球面度和表面凹凸特性的非规则颗粒,通过水平集方法计算球谐函数颗粒间的接... 在自然环境与工业领域中,颗粒材料是一种常见的缓冲材料,其中大量形态各异的非球形颗粒表现出复杂的力学特性并应用于不同工程领域。本文采用球谐函数构造不同球面度和表面凹凸特性的非规则颗粒,通过水平集方法计算球谐函数颗粒间的接触点和碰撞力,并对冲击过程中球形和凹形颗粒的缓冲性能进行离散元分析。数值结果表明,颗粒床厚度、冲击速度和颗粒形状显著影响球谐函数颗粒材料的缓冲性能。颗粒床底部的冲击力峰值随着颗粒床厚度和表面凹凸性的增加而降低,同时冲击力峰值随着冲击速度和颗粒球面度的增加而增加。与球形颗粒相比,球谐函数颗粒具有凹凸表面和多接触点特性,这有利于冲击荷载向四周扩展并提高凹形颗粒的缓冲效果。 展开更多
关键词 离散元方法 球谐函数 水平集方法 缓冲特性 凹形颗粒
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沙氏激光雷达植物叶绿素荧光探测与验证
10
作者 阚若冉 郑可欣 +1 位作者 杨淑清 梅亮 《光学精密工程》 2025年第17期2734-2743,共10页
植物叶绿素含量的精准监测对农业生产和生理研究至关重要,但传统方法存在需要近距离接触测量,效率较低等局限,且难以同时获取植物的三维结构特征。为解决这一问题,基于Scheimpflug原理开发了一种新型激光雷达系统(SLiDAR),旨在实现植物... 植物叶绿素含量的精准监测对农业生产和生理研究至关重要,但传统方法存在需要近距离接触测量,效率较低等局限,且难以同时获取植物的三维结构特征。为解决这一问题,基于Scheimpflug原理开发了一种新型激光雷达系统(SLiDAR),旨在实现植物叶绿素荧光信号的非接触、高精度遥感测量和三维结构信息的同步获取。该系统采用连续波激光(450 nm)和倾斜CMOS传感器架构,通过红光通道荧光信号与蓝光通道弹性散射信号的归一化处理,以消除环境干扰并提升信噪比。实验通过对比SLiDAR系统与手持叶绿素仪(SPAD-502PLUS)对多种叶片的测量数据,结果显示两者具有极强的线性相关性(R^(2)>0.98),验证了系统在5~10 m内毫米级空间分辨率和叶绿素反演中的可靠性。研究表明,SLiDAR系统兼具高光谱灵敏度与空间分辨率,通过获取叶绿素荧光信号间接实现叶绿素含量的高效、无损监测,为植物生理状态监测提供了创新技术手段,未来可通过多波长激发和算法优化进一步提升其在农业遥感中的应用潜力。 展开更多
关键词 沙氏激光雷达 荧光成像 三维点云 叶绿素荧光
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