A THREE-VALUE-SEGMENTATION METHOD OF COAL CONTAINING INCLUSION BASED ON GRAY DISTRIBUTION OF COMPUTED TOMOGRAPHY IMAGE1)

煤体CT图像阈值分割是其三维真实结构重构的前提. 基于单轴压缩状态下煤体的CT图像,提出了一种基于图像灰度分布的孔隙度计算方法, 结合灰度直方图,利用实测孔隙度反推法对煤体CT图像进行了裂隙--煤基质--煤杂质三值化,同时与 最大类间方差法和最大熵法的三值化结果进行了对比分析. 结果表明, 最大熵法对于煤基质和煤杂质不能较好区分; 最大类间方差法对于图像微小区域灰度的突变(裂隙的产生)敏感性低,无法有效区分裂隙与煤基质; 本文改进的灰度直方图法避免了最大类间方差法和最大熵法的劣势,具有较好的图像三值化效果,且煤基质与煤杂质间的阈值基 于实验结果得到,具有更高的可信度和准确度.     

FAST ALGORITHMS FOR DETERMINING POSITIVE DEFINITENESS OF LARGE SCALE MATRICES IN SOLID STRUCTURE ANALYSIS

对于结构稳定性分析中超大规模矩阵正定性判定,必须采用并行计算方法,传统方法如计算特征值、主子式行列式及LDLT等直接方法难以实现.本文提出了一些可适用于并行的迭代判定算法.借鉴力学系统中能量下降的思想,发展了一种判定矩阵正定性的新思路,即将矩阵的正定性判定问题转化为一个优化问题,并基于优化算法来判定矩阵的正定性.提出了基于最速下降法和共轭梯度法来进行矩阵正定性判定的算法.然后考虑到力学系统刚度矩阵的稀疏性和结构刚失稳状态的弱非正定性,提出可以先截超平面后解方程求驻值点的方法来判定弱非正定矩阵的正定性.为了保证对强非正定矩阵判定的准确性,本文提出可以高效混杂使用截平面法和共轭梯度法.数值实验结果表明,本文提出的算法具有准确性和高效性.对于强非正定矩阵而言,共轭梯度算法更加高效;而对于弱非正定矩阵,则是截平面法和混杂算法更加高效.这些算法都容易在机群上实现并行计算,能够快速判定大规模矩阵的正定性.     

一种基于证据理论的结构可靠性分析方法

提出了一种基于证据理论的结构可靠性高效求解方法. 通过构造优化问题求解极限状态方程的非概率可靠性指标及设计验算点, 并构造一辅助区域. 通过辅助区域显著减少需要进行极值分析的焦元个数, 并基于区间分析方法减少焦元上极限状态方程的计算次数, 从而有效降低计算成本. 数值算例及工程应用验证了该方法的有效性.     

基于Armijo准则的自适应稳定转换法

结构可靠度分析是结构不确定性设计的关键环节,计算效率和鲁棒性是评估可靠度分析算法性能的两个重要指标。首先针对两个已有的一次二阶矩算法（iHL-RF算法和方向性稳定转化法）进行分析,发现iHL-RF算法根据Armijo准则可以自适应调整迭代步长,但计算效率低;方向性稳定转化法根据振荡的方向性可以提高计算效率,但自适应性差。结合两种算法的优点,将Armijo准则用于自适应调整方向性稳定转化法的混沌控制因子,提出了基于Armijo准则的自适应稳定转换法。通过四个非线性算例将本文提出的算法与HL-RF、iHL-RF、混沌控制法以及方向性稳定转换法等四种算法的收敛性和计算效率进行比较。结果表明,相比其他四种可靠度分析算法,本文算法在求解二维和多维非线性极限状态函数时均具有更好的收敛性和更高的计算效率。     

AN APPLICATION OF THE CBS SCHEME IN THE FLUID-MEMBRANE INTERACTION

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法. 首先, 给出了流场和结构的控制方程. 然后, 对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述. 其中, 流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式, 并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法, 并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后, 采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解, 验证了算法的准确性和稳定性.此外, 计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。     

A PROBABILITY AND INTERVAL HYBRID STRUCTURAL RELIABILITY ANALYSIS METHOD CONSIDERING PARAMETERS’ CORRELATION

提出了一种考虑相关性的概率-区间混合不确定性模型及结构可靠性分析方法,能够处理变量之间具有相关性的混合可靠性分析问题. 分别针对概率变量,概率区间变量及区间变量定义了相关角的概念,用以定量描述变量之间的相关性;通过仿射坐标,将相关变量转换为独立变量;给出了其可靠性分析模型,并构建了一高效求解方法获得其可靠性指标和失效概率区间;最后通过分析两个数值算例,验证了方法的有效性.     

结构元件可靠性拓扑优化设计方法评述

结构元件可靠性拓扑优化考虑了工程实践中不确定因素的影响,对于结构可靠性设计具有重要意义. 本文将结构元件可靠性拓扑优化设计方法分为嵌套优化法、解耦法、单循环法、可靠性安全系数法. 本文首先介绍了各类可靠性拓扑优化模型;然后系统回顾了以上方法的理论基础以及研究现状与应用;最后对以上方法进行了总结,探讨了它们的优缺点和发展方向.     

MODIFIED SUBSTITUTION METHOD FOR CIRCULAR SLIDING SLOPE STABILITY ANALYSIST UNDER STEADY-STATE SEEPAGE

容重代替法是土坡稳定分析的常用方法. 首先研究了作用在圆弧滑动土坡上的水载荷作为孔隙水压力或作为渗流体载荷之间的关系,然后基于作用在滑块上的水载荷分别作为面载荷和作为体载荷的等效关系,给出了一种较简洁的基于代替法的稳定渗流对圆弧滑动土坡稳定影响的改进分析方法.     

DYNAMICAL ARTIFICIAL BOUNDARY FOR FLUID MEDIUM IN WAVE MOTION PROBLEMS

无限域流体介质的波动辐射效应是影响海域工程动力反应的重要因素,人工边界是实现此类开放系统近场波动问题数值分析的有效方法.基于位移格式的流体波动理论推导开放域流体介质的人工边界,分别给出一维、二维和三维空间中平面波、柱面波和球面波的流体介质动力人工边界条件,其中一维平面波动人工边界为经典的黏性边界,二维柱面波、三维球面波的人工边界处节点应力与节点速度和加速度成正比,可等效为由阻尼与质量系统构成的人工边界条件.讨论相应的数值模拟技术,给出流体介质动力人工边界在ANSYS软件平台的具体实现方法.近场流体介质动力反应问题的算例表明,所发展的流体动力人工边界对于轴对称波动与非轴对称波动在近场有限域截断处的透射吸收作用的模拟计算精度均较为良好,说明此流体介质人工边界具有较高的可靠性与实用性.所发展的流体介质动力人工边界可较为方便地与大型商用有限元软件结合,可为包括海域地形和海岛在内的海域工程的动力分析提供一定的方法借鉴.     

IMPROVEMENTS OF GEOMETRICALLY NONLINEAR ANALYSIS ALGORITHMS FOR SPATIAL FRAME STRUCTURES

以几何精确梁理论为基础,分别采用高阶拉格朗日插值和埃米特插值构造高精度空间梁单元。提出基于单元层次平衡迭代的自由度凝聚方法,以保证单元的通用性。实现了基于载荷控制或柱面弧长控制的结构几何非线性分析算法。算例研究结果表明,提出的改进方法不但提高了计算效率,而且还具有较高的数值稳定性;特别是基于三次埃米特插值构造的单元表现出较好的性态,适用于结构屈曲后分析。     

A WAVELET THRESHOLDING DENSITY-BASED ADAPTIVE IMPORTANCE SAMPING METHOD

提出了一种基于小波阈值密度估计的结构可靠性分析高效自适应重要抽样方法.该方法利用非线性小波收缩方法对结构失效域样本进行密度估计,并以此作为重要抽样密度进行可靠性分析.与传统基于核密度估计的重要抽样方法比,由于非线性小波阈值密度估计具有较好局部适应性和最优收敛速度,且克服了核密度估计中计算精度严重依赖于参数选择的缺陷,因此以较少的预抽样样本就能获得与传统方法相当的精度,有效提高计算效率.数值算例表明所提方法对工程中常遇到的多设计点及噪音功能函数可靠性问题具有良好适应性.     

基于修正型罗德里格斯参数的三维刚体摆姿态控制

3D 刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型, 它绕一个固定、无摩擦的支点旋转, 具有3 个转动自由度. 文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues) 参数描述的3D 刚体摆的姿态动力学方程, 针对3D 刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设计问题, 基于无源性控制理论利用能量法设计了3D 刚体摆的系统控制器, 并证明了系统满足无源性. 构造了系统的李雅普诺夫(Lyapunov) 函数, 利用能量法设计出3D 刚体摆的姿态控制律, 并由拉萨尔(LaSalle) 不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性. 仿真实验给出了3D 刚体摆在倒立平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性, 仿真实验结果表明基于能量方法的3D 刚体摆姿态控制是有效的.     

条带式太阳帆的结构动力学分析

依靠光压推进,太阳帆被认为是最可行的星际探测航天器,太阳帆结构总体方案主要有两类:桅杆式和旋转式,其中,帆膜被分割成窄条的条带式太阳帆在桅杆式太阳帆中具有较为理想的结构效率,如何准确计算条带式太阳帆的结构动力学特性值得研究.本文对条带式太阳帆结构的振动特性和结构稳定性进行研究,将太阳帆看作是由若干个桅杆-膜带组件依次连接而成的整体结构,桅杆-膜带组件由4根桅杆段和4条薄膜条带组成,分段轴压作用下的桅杆与薄膜条带耦合振动.考虑帆面薄膜条带与支撑桅杆之间的耦合振动,采用分布传递函数法建立了的条带式太阳帆的结构动力学模型,推导了条带式太阳帆结构自由振动和失稳载荷的求解方法.研究表明:条带式太阳帆构型有利于提高太阳帆结构的整体刚度和结构稳定性,随着帆面薄膜条带数目的增加,太阳帆结构的振动频率和失稳载荷增大;随着帆面薄膜预应力的增大,太阳帆结构振动的基频减小,稳定性变差;随着支撑桅杆刚度的提高,太阳帆结构整体的振动频率和失稳载荷增大.本文建立的解析求解方法具有求解效率快和精度高的特点,为条带式太阳帆的结构设计和姿态控制提供了有力的分析工具.      

LATTICE BOLTZMANN SIMULATION OF POWER-LAW FLOW PAST AN ELLIPTIC CYLINDER

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method) 和幂律流体本构方程, 建立二维流动模型, 将充分发展的速度分布与理论解进行对比, 吻合良好. 对幂律流体的圆柱绕流进行模拟, 采用了反弹格式的无滑移圆柱边界, 并使用应力积分法计算阻力系数, 分析了稳态圆柱绕流时, 阻力系数随幂律指数n 以及雷诺数Re 的变化规律. 分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n, 对压力系数C_p 和黏度系数C_v 的影响. 得到的变化规律与有限元方法规律一致, 验证了格子波尔兹曼模型的可行性.     

针对非线性极限状态方程的时变可靠度分析

提出了一种针对一般非线性极限状态方程的时变结构可靠度分析方法. 该方法首先将时变功能函数中的随机过程进行离散,获得多个不同时间段的静态功能函数. 之后,将各功能函数在最大可能点处进行线性化,并运用全概率公式将其化简为一新的静态可靠度分析模型,该模型可运用传统的一次二阶矩方法进行高效求解.最后通过管状悬臂梁、十杆桁架、汽车发动机主轴3 个算例验证了该方法的有效性.      

AN IMPROVED RESPONSE SURFACE METHOD BASED ON THE RESONABLE SUBDOMAIN

基于结构可靠性分析理论,给出了合理子域概念.合理子域能够明确在设计点附近对失效概率起主要贡献区域尺寸,且能够保证失效点以一定概率落在其内,解决了对失效概率起主要贡献区域尺寸难以量化问题.基于合理子域概念,给出了一种改进响应面方法.该方法能够保证响应函数在设计点处是无误差的、且在合理子域内对极限状态函数具有较好近似.采取蒙特卡罗重要抽样方法求解失效概率,结合抽样点位置采取分区域评估方法以提高失效概率求解精度.算例表明,所提方法在处理具有显式和隐式极限状态函数的可靠性分析时,均具有较好的计算精度和较高的计算效率.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

结构可靠度分析FORM迭代算法的混沌控制

利用混沌控制原理对FORM收敛失败进行控制. 理清了全局性和局部性两类混沌反馈 控制各种方法的内在联系，说明稳定转换法和自适应调节法属于全局混沌反馈控制 方法，自适应调节法可视为稳定转换法的特例. 参 数调节混合法不过是松弛牛顿法的另一种表达形式，它们都属于局部混沌反馈控制方法. 阐 明了混沌反馈控制表达式与工程力学收敛控制迭代算法的对应关系. 也揭示了这些迭代算法 收敛控制措施的功效和局限性. 提出了一个以稳定转换法为主联合松弛牛顿法的混 沌反馈控制方法，对可靠度分析FORM迭代算法实现了周期振荡、分岔和混沌控制.     

A FULLY NONLINEAR BOUSSINESQ MODELFOR WAVE PROPAGATION BASED ON MUSTA SCHEME

建立了求解二维全非线性布氏（Boussinesq）水波方程的有限差分/有限体积混合数值格式. 针对守恒形式的控制方程,采用有限体积方法并结合 MUSTA格式计算数值通量, 剩余项则采用有限差分方法求解, 采用具有总变差减小（totalvariation diminishing, TVD）性质的三阶龙格-库塔法进行时间积分.该格式具备间断捕捉、程序实现简单、数值稳定性强、海岸动边界以及波浪破碎处理方便和可调参数少等优点.利用典型算例对数值模型进行了验证,计算结果与实验数据吻合较好.