三维块体接触检索算法改进研究

 在三维非连续变形分析中,快速准确的块体接触检索算法是控制计算效率和分析结果正确性的关键因素之一。基于直接法和公共面法的思想,将接触类型归纳为点–面、边–边2种接触,并结合块体的外包围盒、块体切割面和接触继承对块体接触检索做进一步的改进。引入块体角点运动探针思想,对接触的正确性做进一步的识别,以确保块体的接触关系符合模型的力学运动要求,这弥补了以往接触算法中未考虑块体运动趋势的不足。该算法已在同济曙光三维块体分析软件中实现,算例结果表明,该算法具有良好的适应性、鲁棒性和可实现性,对于凸体和凹体均适用,能有效地解决现有方法存在的不足。     

数值流形方法接触检索算法的改进

 数值流形方法(NMM)的接触理论是其一大特色,然而也是NMM在计算中耗时最多的计算部分,有必要提高NMM接触算法的效率。首先介绍NMM的覆盖系统和接触判断方法,着重分析NMM接触检索算法的效率及其所存在的缺陷。然后,根据NMM接触判断方法特点,定义接触阈值、接触线段以及每个接触线段的接触覆盖区,并提出求接触覆盖区x轴极值和y轴极值的方法。最后基于DESS(double-ended spatial sorting)接触检索算法对所求得的接触覆盖区极值进行空间排序,建立了新的NMM接触检索算法。改进后的接触检索算法,可以直接判断出具体的接触点–边对,以及具体的接触形式(角角接触或角边接触),且提升NMM接触检索算法的效率。     

岩石力学离散单元计算方法中的若干问题探讨

对节理岩体中以离散的块体单元为计算模型的离散单元计算方法中的一些常遇到的问题和难点,进行了较深入的讨论,主要涉及到离散单元计算方法的各种算法及特点、块体的变形问题和块体之间的叠合、方程求解问题特别是单个块体求解与整体方程求解的内在关系、接触检索问题包括三维块体的接触检索等方面,指出了一些问题上的不足,提出了建议,并得到了一些有益的结论。     

三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法，目前在二维问题的计算中应用较多，但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用，因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难，就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析，指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上，给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明，该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题，能够正确判断三维块体之间的接触关系，从而模拟块体之间的错动滑移过程。     

高耸钢结构螺栓接头精确受力分析方法

本文通过应用三维弹塑性接触有限元理论给出了精确分析高耸钢结构螺栓接头受力的方法，以及如何通过计算获得应用该方法所必需的全段钉元刚度曲线。     

基于六面体覆盖的三维数值流形方法的理论探讨与应用

介绍了基于六面体单元的三维数值流形方法的基本理论，并在六面体单元中采用了有限元中C8型等参单元的形函数作为流形元中的覆盖函数。推导了相应平衡方程的刚度、初始应力、点荷载、体荷载、惯性力、固定点、法向接触、切向接触和摩擦力子矩阵。在二维接触中，切向应力和摩擦力的方向很容易沿着接触边得到，但在三维问题中要在接触面上确定该方向则非常困难，这也是所有计算方法在遇到三维接触时的难题。引入了向量理论和迭代方法，避开了相应困难的干扰。最后，给出了一个简单的地下失稳算例，证明了该三维方法的正确性。     

碎石土古滑坡稳定性分析

为准确评价碎石土古滑坡稳定性,通过资料的搜集整理和分析、现场工程地质调查与勘探以及室内外的物理力学试验,采用三维大变形弹塑性接触有限元算法、数理统计分析法和不平衡推力法,结合柘州岭碎石土古滑坡工程实例,运用碎石土边坡地下水管网状排泄系统理论,分析降雨作用下碎石土古滑坡的复活解体破坏过程,计算和分析该类型滑坡稳定性。同时,结合其他工程实例,对弹塑性接触有限元算法在碎石土滑坡稳定性分析中的适用性进行研究。研究结果表明：采用考虑降雨作用的大变形弹塑性接触有限元算法可以考虑滑坡体的空间效应,较好地反映碎石土古滑坡在降雨作用下所处的实际状态及其复活破坏过程;对于浅层、中深层碎石土滑坡和复活碎石土古滑坡,分别采用二维、三维小变形和三维大变形弹塑性接触有限元算法分析相应类型滑坡的稳定性,可以得到符合实际、令人满意的计算结果。     

不同接触状态下节理三维组合形貌的计算方法

当节理处于不同的接触状态时,其组合形貌也是不同的。为有效地计算节理的三维组合形貌,在获得节理上下面形貌数据的基础上,提出节理上、下表面稳定接触的判断条件和以此为依据的节理面移动接触算法,然后用VC++语言编制节理三维组合形貌计算程序,利用该程序可以方便地计算节理在不同接触状态下的三维组合形貌参数。最后,以大理岩人工张节理为研究对象,采用自行研制的TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行扫描,得到节理面的形貌数据,然后对大理岩人工张节理人为地分别设定1,2,3,4,5 mm的错开位移形成节理上、下表面不同的接触状态,利用组合形貌计算程序计算不同接触状态下的节理三维组合形貌参数,分析不同接触状态对节理三维组合形貌参数的影响,为研究不同接触状态下单节理的力学和渗流特性与其组合形貌特征的关系奠定基础。     

三维有限元并行计算及其工程应用

针对水利工程中的人型复杂三维结构对大规模数值计算的需求，基于J—PCG方法(Jacobi预处理共轭梯度法)，建立了有限元EBE(element-by—element)方法和分布存储并行机上的计算算法。该算法不用考虑网格拓扑结构和单元的排序，同时小形成整体刚度矩阵，而且避免了对复杂的三维结构进行区域分解。采用上述算法编制了三维有限元并行求解的PFEM(parallel finite element method)程序，并在网络机群系统上实现，然后将其应用到二滩拱坝-地琏系统和水布娅地下洞室的三维有限元数值计算中。数值计算结果表明，三维有限元并行EBE方法非常适合于水利工程中三维复杂结构的人规模数值计算。     

岩石块体三维接触判断的侵入边法

在三维单元法、三维不连续变形分析法中，三维块体的接触判断是关键的问题之一。对三维凸多面体的所有接触形式进行了分类，提出了一种三维块体接触判断的侵入边法。给出了侵入边法的原理、方法实施步骤及识别接触形式的方法。通过论证和算例表明，所提出的方法计算工作量小、鲁棒性好，容易于计算机实现。     

三维接触问题的互补模型及其光滑化算法

 接触问题是岩石等非连续介质研究中的关键力学问题。基于三维接触问题的实际物理意义,分别在法向和切向建立等价的互补模型。针对互补模型呈现出的强非线性性质,提出一个新的光滑逼近函数,当该函数中的参数趋于0+时,它等价于原来的互补模型。由于该逼近函数具有C1连续,相应的Jacobian矩阵在任何条件下非奇异,这使得常规的Newton法及Newton族算法可以顺利地求解。同时,通过方向向量的引入,将已有研究在二维摩擦接触问题中所提出的约束函数法推广到三维,解决了三维接触问题中由于方向角的周期性带来的求解稳定性问题。在此基础上,建立三维点面接触有限元模型,并用经典算例验证该方法的有效性和适应性。     

Coupling of smoothed particle hydrodynamics and finite element method for impact dynamics simulation

This paper presents an alternative method for coupling smoothed particle hydrodynamics (SPH) and finite element method (FEM) in a Lagrangian framework. The attachment and contact between SPH particles and finite elements are calculated. FE nodes are added to the SPH neighbor list for the attachment, and the continuity of the interface is guaranteed. The contact force on SPH particles and FE nodes is calculated with the same approach used in SPH particle to particle contact algorithm, and the identification of the contact surface and the surface normal is not required. Background particles are assigned in the position of FE nodes to facilitate particle approximation. The perforation of a cylindrical Arne tool steel projectile impacting a plate Weldox 460 E steel target is simulated in 3D to demonstrate the performance of the SPH-FEM coupling algorithm. The coupled computational model of viscoplasticity and ductile damage and Gruneisen EOS are used for the target plate. A particle-kill algorithm is used to invalidate the damage particles. Good agreement between the numerical simulations and the experimental results is obtained, and the ballistic limit velocity obtained from the SPH-FEM coupling algorithm gives a deviation of 2% from the experimental data.     

Monocular 3D object detection for construction scene analysis

Three-dimensional (3D) object detection, that is, localizing and classifying all critical objects in a 3D space, is essential for downstream construction scene analysis tasks. However, accurate instance segmentation, few 2D object segmentation and 3D object detection data sets, high-quality feature representations for depth estimation, and limited 3D cues from a single red-green-blue (RGB) image pose significant challenges to 3D object detection and severely hinder its practical applications. In response to these challenges, an improved cascade-based network with a transformer backbone and a boundary-patch-refinement method is proposed to build hierarchical features and refine object boundaries, resulting in better results in 2D object detection and instance segmentation. Furthermore, a novel self-supervised monocular depth learning method is proposed to extract better feature representations for depth estimation from construction site video data with unknown camera parameters. Additionally, a pseudo-LiDAR point cloud method and a 3D object detection method with a density-based clustering algorithm are proposed to detect 3D objects in a construction scene without help from 3D labels, which will serve as a good foundation for other downstream 3D tasks. Finally, the proposed model is evaluated for object instance segmentation and depth estimation on the moving objects in construction sites (MOCS) and construction scene data sets. It brings a 9.16% gain in terms of mean average precision (mAP) for object detection and a 4.92% gain in mask mAP for object instance segmentation. The average order accuracy and relative mean error for depth estimation are improved by 0.94% and 60.56%, respectively. This study aims to overcome the challenges and limitations of 3D object detection and facilitate practical applications in construction scene analysis.     

Fire detection and 3D surface reconstruction based on stereoscopic pictures and probabilistic fuzzy logic

In this paper, a new fire detection method is proposed, which is based on using a stereo camera to calculate the distance between the camera and the fire region and to reconstruct the 3D surface of the fire front. For the purpose of fire detection, candidate fire regions are identified using generic color models and a simple background difference model. Gaussian membership functions (GMFs) for the shape, size, and motion variation of the fire are then generated, because fire regions in successive frames change constantly. These three GMFs are then applied to fuzzy logic for real-time fire verification. After segmentation of the fire regions from left and right images, feature points are extracted using a matching algorithm and their disparities are computed for distance estimation and 3D surface reconstruction. Our proposed algorithm was successfully applied to a fire video dataset and its detection performance was shown to be better than that of other methods. In addition, the distance estimation method yielded reasonable results when the fire was a short distance from the camera and the reconstruction of the 3D surface showed a shape that was almost the same as that of the real fire.     

基于自适应加权光滑约束与PCG算法的三维电阻率探测反演成像

三维电阻率探测在实际工程中日益受到重视，但存在着深部分辨率低、反演效率低等关键问题，严重制约了三维电阻率探测技术的应用和推广。针对深部分辨率低的问题，提出了一种随三维模型网格尺寸自适应调整的加权光滑约束，改善了深部网格的电阻率差异容许程度，实现了对不同深度网格约束的差异化加权处理，有效的提高了深部反演的分辨率和成像效果。针对反演计算耗时长、效率低的问题，基于预条件共轭梯度法求解快速稳定的优势，提出了三维电阻率快速稳定反演成像算法。在该算法中，将雅可比迭代中的对角阵作为预条件矩阵，其具有求逆方便、无需内存空间的特点，显著加快了收敛速度。最后，利用合成算例和隧道导水裂隙探测的工程实例验证了上述反演方法的可行性与有效性，表明借助于自适应调整加权光滑约束和预条件共轭梯度算法，有效的提高了深部分辨率和计算效率，显著改善了反演效果。     

拱坝沿建基面上滑溃决的可变形离散元仿真

三维可变形离散元是模拟不连续介质力学行为的有效数值分析方法,由于其采用显式有限差分方法以及自动进行离散缝面的接触检测,适合于求解弹塑性、大变形和动力问题。本文首先介绍了三维可变形离散元的基本原理及特点,然后对1981年梅花拱坝的溃坝过程进行仿真研究。通过分析得知,梅花拱坝由于周边缝施工设计不当,沿周边缝抗剪强度过小,导致蓄水后坝肩推力促使坝体沿周边缝发生整体上滑,拱坝失去支撑最终坝体断裂并溃决。     

拱坝-坝肩三维可变形离散元整体稳定分析

三维可变形离散元是模拟不连续介质力学行为的有效数值分析方法。由于该方法采用显式差分方法和自动接触检索技术，故尤其适合于求解弹塑性、大变形和动力问题。首先介绍三维可变形离散元的基本原理及特点。然后对拱坝一坝肩系统整体抗滑稳定进行超载仿真分析和强度折减仿真分析。分析结果表明：超载计算时，拱坝坝肩失稳可能性很小，但是，当水压超载到3．5-4．0倍时，坝体材料会出现较大范围的受压屈服；强度折减计算时，当结构面强度折减3．5倍时，拱坝左坝肩在水压和渗压的作用下开始向下游坍塌，并最终导致拱坝失去支撑而溃决。     

A Pavement Crack Detection Method Combining 2D with 3D Information Based on Dempster‐Shafer Theory

Pavement cracking is one of the main distresses presented in the road surface. Objective and accurate detection or evaluation for these cracks is an important task in the pavement maintenance and management. In this work, a new pavement crack detection method is proposed by combining two‐dimensional (2D) gray‐scale images and three‐dimensional (3D) laser scanning data based on Dempster‐Shafer (D‐S) theory. In this proposed method, 2D gray‐scale image and 3D laser scanning data are modeled as a mass function in evidence theory, and 2D and 3D detection results for pavement cracks are fused at decision‐making level. The experimental results show that the proposed method takes advantage of the respective merits of 2D images and 3D laser scanning data and therefore improves the pavement crack detection accuracy and reduces recognition error rate compared to 2D image intensity‐based methods.