多边形邻域元胞自动机

介绍一种利用元胞自动机思想求解二维弹性力学问题的方法。该算法将问题求解域离散成随机分布的场节点,每个场节点被定义为一个元胞,而其位移则为元胞的状态量。算法规定,每一个元胞都有一个多边形的邻域,此邻域内包含其它元胞。借助于有限元插值思想,算法建立了任意一个元胞状态量和相邻元胞状态量的关系,将二维弹性力学问题的求解转化为元胞状态量的演化。本研究中的演化规则考虑了遗传因素,演化过程具有并行性,因此可提高计算效率。通过随机分布点建立的元胞自动机是一种无网格算法,但在二维问题边界附近可以与有限元网格无缝连接,因此在固体力学计算中具有较好的应用前景。数值算例验证了算法的合理性和可行性。     

二维弹性问题无网格元胞自动机算法

为了避免因网格畸变带来误差,本研究基于元胞自动机的思想发展了一种无网格计算方法。该方法将二维弹性问题的区域离散成随机分布的点,借用有限元方法中的差值概念建立区域中任意一点和其邻域内的其它点之间的位移与力的关系,以此为局部规则,构建了适用于求解二维弹性力学问题的元胞自动机。依据边界条件,元胞自动机自行演化,直至各离散点的位移收敛进而求得弹性问题的解。数值算例表明,该算法简单、正确,可以方便地和有限元结合,增加数值模拟的灵活性,同时,它在并行计算领域具备很大的潜力。     

一种基于元胞自动机的无线传感器网络安全补丁分发算法

文中基于元胞自动机,提出了一种无线传感器网络安全补丁分发算法。该算法采用正方形网格描述无线传感器网络模型,改进了二维元胞自动机,传感器节点将收到的安全补丁分发给其元胞邻域内的其他节点。在不同的初始条件下,该算法选择区域中任何节点作为初始节点分发安全补丁,均能快速将补丁分发完毕。     

元胞自动机理论在并联机构工作空间搜索法中的应用

针对传统并联机构工作空间搜索法所得边界精度低、效率低等问题,提出一种通用的基于元胞自动机理论的快速搜索方法。该方法以元胞自动机中邻域思想和黄金分割法原理为基础,研究了并联机构工作空间求解的数值法,并总结出这些方法的不足。通过引入元胞自动机的邻域提取粗糙化边界和搜索方向,并将黄金分割二分法引入维度搜索中,以实现任意精度的边界点搜索,其后仿真算例检验了此方法的有效性与快速性,并与极坐标搜索法、蒙特卡洛法、精确化处理进行对比。分析表明:该算法在求解精度、效率具有明显优势,并且适用于二维、三维的并联机构工作空间的求解。     

不连续位移边界积分方程－边界元方法中的若干问题

结合二维平面问题对不连续位移边界积分方程—边界元方法中的若干问题及其相关的非局部弹性力学问题的求解进行了讨论。并通过算例说明用不连续位移边界积分方程—边界元方法分析处理断裂力学问题是很有效的。     

不连续位移边界积分方程—边界元方法中的若干问题

结合二维平面问题对不连续位移边界积分方程－边界元方法中的若干问题及其相关的非局部弹性力学问题的求解进行了讨论。并通过算例说明用不连续位移边界积分方程－边界元方法分析处理断裂力学问题是很有效的。     

林火蔓延模拟元胞自动机算法研究

二维元胞自动机模型常用于林火蔓延中,但其存在迭代次数过多、进化过程不充分以及结束迭代的条件不明确等缺点。针对上述问题,提出一种基于多目标遗传算法的三维元胞空间林火蔓延模型。首先,将影响和决定林火蔓延因子的主体作为元胞引进二维元胞自动机模型中;其次,为了减少二维元胞自动机模型的迭代次数,明确结束迭代的条件,首先对初始化方式改进,采用三维球形元胞空间对二维元胞空间进行改进,其次通过多目标遗传算法对元胞自动机算法进行改进,从而提高林火蔓延模型预测精度。通过仿真结果,对比分析传统的二维元胞自动机模型、王正非模型以及Rothermel模型与本文提出的方法,可知本文提出的方法迭代次数大幅减少,运行时间大幅下降,使得元胞自动机的运行效率得到了显著提高。此外元胞自动机的终止条件得到了明确,且实际林火蔓延过程与提出的林火蔓延模型的实验仿真结果具有较高的相似性。     

微结构热力耦合解析的元胞自动机方法

针对微机电系统多物理场耦合效应有限元解析所遇到的难题,应用元胞自动机的思想来解析其热-力耦合场．以典型微结构中的平板结构为研究对象,根据应变能守恒,将连续性单元转化为米字形桁架结构,并建立元胞空间;从简单的二力杆热力分析出发,推导热应力的局部规则,建立了该平板结构的元胞自动机模型,对热弹性力学中的平面应力问题进行了分析．从实例解析出发,对热应力产生的不同情况进行了模拟分析,验证了所建热-力耦合解析方法的可行性和算法的效率．该解析算法也适用于力载荷或位移载荷,为微结构多物理场耦合解析提供了有效的解析方向．     

二维有限元网格自动生成的差分方法及应用

介绍二维有限元网格自动生成的差分求解方法，并详细讨论节点号和网格拓扑结构生成的算法。该方法适合多连通域和局部边界条件复杂的几何形状的自动生成。给出一组算例。     

汽车车身耐撞框架结构设计研究

为求解车身耐撞框架结构非线性耐撞拓扑优化问题,提出了基于能量控制混合元胞自动机的拓扑优化方法。首先运用LS-DYNA显式有限元算法,以混合元胞自动机作为优化计算模型,根据比例局部控制规律确定设计变量中的局部改变,同时在拓扑结构中划分柔性区域和刚性区域并赋予其不同的设计尺寸和质量分数约束,增加能量控制约束及最优约束条件选取。然后通过单工况和多工况连续体拓扑优化说明该方法的可行性和准确性。最后,将方法用于汽车前保险横梁的设计,耐撞性能得到明显提高,说明该方法具有很好的工程实用价值。     

Application of 3D FEM-slab method to shape rolling

In this paper, a complex model combining the simplicity of the slab method and accuracy of the finite element method was developed to save CPU time. When applied for the shape rolling, the deformation zone in the billet was divided into several proper slabs according to the shape of boundaries, in which each slab must match the force equilibrium along the longitudinal direction. Then, FEM was used to calculate sequentially the velocity field, metal flow, stress and strain distribution for each slab. By using only one slab in each iteration, the iteration range of traditional FEM was significantly reduced. Therefore, the memory capacity and computational time can be significantly reduced. Compared with traditional FEM, the results of this complex model were acceptable, verifying that the model proposed in this paper is an effective method.     

偏微分方程与微分代数方程的一致求解方法

Modelica 语言是一种复杂物理系统多领域统一建模语言,但目前该语言只能解决由微分代数方程（DAE）描述的问题,而不能解决由偏微分方程（PDE）表达的问题。为此,提出一种偏微分方程与微分代数方程的一致求解方法,利用所构建的径向基函数配点无网格法直接将偏微分方程在空间上离散成一系列的微分代数方程,然后采用成熟的微分代数方程求解器进行求解。实例结果表明,该方法在不改变 Modelica 语法的前提下,能较好地实现偏微分方程与微分代数方程的一致求解,且求解精度高、边界条件处理简单,有利于Modelica直接求解复杂工程系统中多领域耦合、时间域与空间域耦合的复杂问题。     

基于质心Voronoi结构的布点算法及应用

以初始点的Voronoi结构为基础,建立基于质心Voronoi结构的布点算法.该算法通过区域上的初始离散点构造Voronoi结构,利用面积坐标法确定Voronoi结构的质心点,以成本函数作为质心Voronoi结构的收敛准则.若质心点满足收敛准则,则将该质心点作为区域的离散节点.然后利用切边处理技术,实现复杂区域内的布点算法,即给出不同区域的均匀布点和非均匀布点.以长圆筒为例,采用基于Voronoi结构的布点算法对求解域进行点的离散,利用自然邻近Petrov-Galerkin无网格法计算其应力值,求得的应力值与精确值比较吻合,这证明了将质心Voronoi结构的质心点作为无网格法区域离散节点进行无网格法分析是比较精确、可靠的.     

有限元法的应用现状研究

有限元法(FEM：Finite Element Method)作为一种最有效的数值方法，在工程实际中得到了广泛、深入的应用。以应用为主线，首先回顾了FEM的发展历程，然后从FEM的应用过程和应用领域两个方面详细地论述了FEM应用的有关问题，并例举了相关的应用实例。最后总结了FEM的国内外应用现状及研究熟点问题。     

微量润滑平面磨削接触区换热机理的研究

磨削接触区材料去除厚度是不一致的,同时,在微量润滑过程中,雾滴之间的运动特征存在差异且易受其他因素的影响,致使整个接触区的磨削温度分布呈现出非线性,换热机理也异常复杂。从雾化机理出发,对影响换热效果的两个关键因素--雾滴直径和雾滴速度进行了分析。依据雾滴在不同壁温处表现出的不同换热特性,将磨削区划分为无沸腾换热、核态沸腾换热、过渡沸腾换热和稳定膜态沸腾换热四个不同的换热区域,建立了微量润滑磨削区的换热系数数学模型。在此基础上,运用有限元技术对微量润滑磨削表面的温度场进行了仿真分析,采用单级热电偶技术测量了磨削温度,发现磨削区仿真温度值与实验测量值吻合较好,表明通过该理论获得的微量润滑磨削表面换热系数是可信的。     

超磁致伸缩泵驱动磁路建模及数值分析

提出了一种面向固液混合作动器的新型超磁致伸缩泵结构。对超磁致伸缩泵驱动磁路进行了数学建模,采用有限元法对其磁场分布进行了数值模拟,并与理论计算结果进行对比,发现超磁致伸缩棒上磁感应强度的理论计算值与仿真结果基本吻合。采用磁场有限元法分析了超磁致伸缩棒的轴向磁场与径向磁场均匀性,发现径向磁场均匀性明显高于轴向;针对不同长度的棒进行了轴向磁场均匀性分析,揭示了其影响与作用规律;在此基础上对驱动磁场进行了动态数值模拟,发现在输入电压恒定时超磁致伸缩棒内的磁感应强度随着输入信号频率的提高而衰减,实验与仿真结果的对比验证了仿真的正确性。     

裂纹故障对轮齿时变啮合刚度的影响分析

针对裂纹引起齿轮时变啮合刚度(TVMS)减小这一现象,研究了裂纹故障对TVMS的影响规律。首先,构建了完整的轮齿齿廓曲线,基于传统势能法分析了相邻齿耦合效应对TVMS的影响,对TVMS计算公式进行修正。其次,采用有限元法确定了裂纹萌生点所在位置,提出了一种沿深度拓展的裂纹曲线,分析了裂纹深度对TVMS和负载分担比的影响,研究了裂纹同时沿深度与长度方向拓展的中早期故障模型。最后,构建了不同故障齿轮副模型,采用有限元法对裂纹沿深度结果进行验证,结果表明势能法与有限元法相吻合。     

血清AFP、CA199、GGT、ALP联检肝癌早期诊断价值

目的:探讨甲胎蛋白(AFP)、糖类抗原199(CA199)、谷氨酰转肽酶(GGT)和碱性磷酸酶(ALP)单独或联合检测对原发性肝癌(PHC)的早期诊断价值。方法:本研究为回顾性研究,筛选2016年-2019年本院87例原发性肝癌(PHC)患者、105例慢性乙肝患者及104例健康志愿者,收集不同组首次入院和体检外周血检测数据和其他临床资料。比较各血清指标在组间差异性,分析了血清学指标与入组PHC临床分期和病理分型的相关性,进一步利用ROC曲线法分析血清指标单项与联合诊断的灵敏度、特异度。结果:AFP、CA199、GGT、ALP检测均值在PHC组均明显高于慢乙肝组和健康体检组。AFP阳性检测值与PHC临床分期(r=0.9536)和病理分型(r=0.525)呈正相关性。AFP诊断PHC灵敏度和特异性分别为60.87%和77.97%、精准度AUC为0.726。联合四项指标检测灵敏度、特异度和AUC分别为75.36%、65.64%、0.806。结论:AFP、CA199、GGT、ALP四项指标联合检测可提高原发性肝癌早期诊断的准确率,操作性强且易于推广。     

An adaptive procedure based on combining finite elements with meshless methods

This paper presents a new method for combining finite elements with meshless methods, which increases the accuracy of computational solutions in a coarse mesh by adding nodes in the domain of interest. The present method shares the features of the finite element and meshless methods such as (a) the meshless interpolation of the MLS type is employed; (b) integration domains are consistent with support domains; and (c) essential boundary conditions can be applied directly. In the present method, a ground mesh with triangular or quadrilateral elements is constructed to define polygonal support domains, and then additional nodes are placed arbitrarily in a domain without the reconstruction of a mesh. The method is very useful in an adaptive calculation, because nodes can be easily added or removed without any remeshing process. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Maenghyo Cho Hyun-Gyu Kim received his B.S. degree from Seoul National University in 1990. He then received M.S. and Ph.D. degrees from KAIST in 1993 and 1998, respectively. Dr. Kim is currently a Professor at the Department of Mechanical Engineering in Seoul National University of Technology, Korea. His research interests include multi-physics coupling analysis, interfacing non-matching meshes, development of special elements, and inverse problems.     

Voronoi based discrete least squares meshless method for heat conduction simulation in highly irregular geometries

A new technique is used in Discrete Least Square Meshfree(DLSM) method to remove the common existing deficiencies of meshfree methods in handling of the problems containing cracks or concave boundaries. An enhanced Discrete Least Squares Meshless method named as VDLSM(Voronoi based Discrete Least Squares Meshless) is developed in order to solve the steady-state heat conduction problem in irregular solid domains including concave boundaries or cracks. Existing meshless methods cannot estimate precisely the required unknowns in the vicinity of the above mentioned boundaries. Conducted researches are limited to domains with regular convex boundaries. To this end, the advantages of the Voronoi tessellation algorithm are implemented. The support domains of the sampling points are determined using a Voronoi tessellation algorithm. For the weight functions, a cubic spline polynomial is used based on a normalized distance variable which can provide a high degree of smoothness near those mentioned above discontinuities. Finally, Moving Least Squares(MLS) shape functions are constructed using a varitional method. This straight-forward scheme can properly estimate the unknowns(in this particular study, the temperatures at the nodal points) near and on the crack faces, crack tip or concave boundaries without need to extra backward corrective procedures, i.e. the iterative calculations for modifying the shape functions of the nodes located near or on these types of the complex boundaries. The accuracy and efficiency of the presented method are investigated by analyzing four particular examples. Obtained results from VDLSM are compared with the available analytical results or with the results of the well-known Finite Elements Method(FEM) when an analytical solution is not available. By comparisons, it is revealed that the proposed technique gives high accuracy for the solution of the steady-state heat conduction problems within cracked domains or domains with concave boundaries and at the same time possesses a high convergence rate which its accuracy is not sensitive to the arrangement of the nodal points. The novelty of this paper is the use of Voronoi concept in determining the weight functions used in the formulation of the MLS type shape functions.