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关键词： 离散忆阻   超混沌   不动点集   超级多稳定性   初值位移调控  

摘要： 忆阻元件具有特殊的非线性,常用于构建各种复杂的连续和离散动力学系统。目前,大多数离散忆阻映射是基于耦合方法构建的,很少表现出依赖于初值的复杂动力学。为此,本文提出了通用的忆阻级联、并联和混联结构并构建了三种新型离散忆阻映射,研究了与初值和参数相关的复杂动力学,揭示了映射中的双稳定性和超级多稳定性。 首先,提出了忆阻级联结构,以两个相同的离散忆阻为例构建了双忆阻级联超混沌映射。该映射拥有一个由无限多不动点组成的平面集,参数和忆阻初值的变化都会影响其稳定性。利用多种数值仿真工具研究了控制参数相关的分岔行为和初值相关的共存行为。仿真结果表明,双忆阻级联映射经历了准周期分岔路径通向混沌并具有双稳定性。此外,通过FPGA平台进行数字实现,实验捕获了超混沌吸引子。 其次,为了研究并联忆阻的动力学效应,将两个相同的离散忆阻引入忆阻并联结构,建立了具有平面不动点集的双忆阻并联超混沌映射模型。利用多种数值仿真工具研究了控制参数和忆阻初值平面的动力学分布与分岔行为,分析了非忆阻初值的动力学影响。复杂度分布进一步验证了双忆阻并联映射中存在的超级多稳定性。此外,通过微控制器平台进行硬件实现,实验采集到不同类型和不同位置的共存吸引子。 最后,结合忆阻级联、并联结构,提出了忆阻混联结构并构建了三忆阻混联超混沌映射。由于三个离散忆阻的引入,该映射具有空间不动点集。利用多种数值仿真工具研究了依赖于控制参数的动力学分布和分岔行为,并从理论和数值上分析了忆阻初值位移调控动力学,揭示了三忆阻混联映射中的良好超混沌性质和超级多稳定性,通过FPGA平台进行硬件实现,利用超混沌序列设计伪随机数生成器。此外,将生成的高质量伪随机数应用于Wasserstein生成对抗网络。性能分析表明,基于混沌的伪随机数有效提高训练了稳定性和生成能力。 本文提出的忆阻级联、并联和混联结构均可有效地构建具有复杂动力学特性和良好应用潜力的离散忆阻映射,为离散混沌映射的设计提供了新思路。

关键词： 盾构机   离散元   参数标定   搅拌结构改进   掘进参数  

摘要： 盾构施工安全、可靠、成本低,广泛应用在隧道建设方面。盾构施工时常常因为土体流动性差,在压力舱内形成泥饼,造成盾构工作效率低,甚至出现刀盘卡停事故。土体流动性受土体改良、搅拌结构及掘进参数等因素的影响,对搅拌结构、掘进参数等开展研究,对盾构搅拌结构的设计与顺利施工有重要意义。本文基于离散元方法对盾构搅拌结构进行改进,研究了改进的搅拌结构及掘进参数对搅拌效果的影响,并对掘进参数进行了预测。主要工作如下: (1)离散元参数标定研究。对沈阳地铁三号线甘-千区间砂卵石进行了物理实验,测出砂卵石的密度、堆积角、粒度及分布等参数,以堆积角为响应值,建立了离散元堆积角仿真试验模型。结合DEM通用材料数据库确定了待标定参数范围,进行Plackett-Burman试验设计,筛选出砂卵石-砂卵石静摩擦系数(D)、砂卵石-砂卵石滚动摩擦系数(E)、砂卵石-盾构机滚动摩擦系数(H)为显著性因素,进行Box-Behnken试验设计,对显著性因素建立了相应的回归模型。以实际堆积角38.68°为响应值,反演出三个显著性因素:D为0.599,E为0.195,H为0.033。对标定的参数进行了实际工程验证,该离散元参数能够模拟盾构真实情况。 (2)搅拌结构改进研究。模拟了盾构舱内的搅拌过程,根据搅拌运动的原理及舱内土体流动状态,分析了舱内搅拌的运动规律,将压力舱内土体运动分为四种运动状态。在此基础上进行了搅拌结构的改进,通过离散元仿真对比分析了改进前后的搅拌结果,改进后的土体流速提升了39.04%,土体流速的标准差更小,土体流速更稳定。对改进的搅拌结构进行了静力学分析,结构满足强度与刚度要求。 (3)掘进参数对搅拌效果的影响研究。根据盾构实际工况,分析了盾构的掘进参数,确定出三个主动调整掘进参数:推进速度、刀盘转速及转进比,两个被动反馈掘进参数:土体流速及扭速比。运用控制变量的方式,通过离散元模拟,分析了每一个主动调整参数对两个被动反馈参数的影响规律,并进行了参数间的相关性分析。 (4)掘进参数预测研究。在研究了参数间影响关系的基础上,结合地铁三号线施工参数,确定了掘进参数的范围,在参数范围内运用响应面法,进行了多组离散元模拟试验,分别建立了土体流速、扭速比与主动调整掘进参数之间的回归模型,拟合多元方程实现了对参数的预测。进行了模型验证及优化,预测值与模拟值误差在5%以内,拟合度好,优化后平均土体流速提升了15%,扭速比比优化前减小了6.7%,优化后的参数组合更合理。

关键词： 离散元方法   碎冰   冰脊   极地半潜式海洋平台   冰载荷  

摘要： 北极拥有巨量的油气资源,但受限于其恶劣的环境条件及高昂的开采与运输成本,大多处于未开发状态。研发适用于极地环境的油气开采装备具有重要的经济意义与战略价值,而浮式海洋结构以其形式多样、部署灵活及适合深水等特点而展现出良好的应用前景。极地海域最明显的特征就是分布着复杂的海冰类型,典型的有平整冰、碎冰及冰脊等。这些海冰会与海洋结构发生剧烈作用,产生巨大的冰载荷,对结构安全具有严重威胁。因此研究各种类型海冰与浮式平台结构的作用过程对新型抗冰结构的设计具有重要意义。 目前国内外学者已从海冰物理力学性质、结构冰载荷特点等方面,采用多尺度试验、理论分析及数值计算等手段,对各种类型海冰与结构的相互作用进行了大量研究。但由于海冰的物理力学性质与细观结构复杂多样,冰载荷影响因素众多,当前仍缺乏统一有效的方法对浮式结构冰载荷进行准确的预测。本文基于粘结球体离散元方法分别发展了碎冰、冰脊离散元模型,将其与结构运动响应及水动力计算耦合,形成了锚泊式结构冰载荷计算方法,由此分析了半潜式平台在各种海冰类型作用下的动力响应。本文主要研究内容如下: (1)采用Voronoi切割算法生成了随机多边形分布的碎冰初始场,基于团簇法研究了Voronoi种子点分布对碎冰几何分布的影响;利用排斥法和扰动法,通过控制Voronoi种子点空间分布的均匀性实现了碎冰规则度的控制;计算了不同几何参数的碎冰与锥形桩腿的相互作用,验证了该碎冰计算方法的合理性,并研究了碎冰几何参数对冰载荷的影响。 (2)利用针对球体离散单元的规则排列与前进面法耦合算法生成了冰脊离散元模型,以满足冰脊内部不同组成部分的几何结构特征及各组成部分间的连续性。采用压剪试验验证了龙骨模型的适用性,研究了离散元参数对龙骨宏观力学特性的影响,为选择合理的离散元参数提供了参考;计算了冰脊与圆柱形桩腿的相互作用,分析了冰脊的破坏模式,并将所得冰载荷与ISO规范进行了对比,验证了该冰脊离散元方法的可靠性。 (3)采用扩展多面体离散单元方法,发展了冰脊形成过程的数值方法,以生成更接近真实状态的冰脊计算模型;分析了冰脊模型的几何特征并与现场观测数据进行对比,展示了该冰脊生成方法有效性;研究了不同离散元参数对冰脊模型的影响,为建立更真实的冰脊模型奠定了基础。 (4)采用离散元方法构建了锚线计算模型并对其进行了显式动力学计算;发展了锚泊式海洋平台与各种海冰类型的耦合计算方法,并在CUDA并行基础上开发了相应的数值计算软件。采用该软件计算了半潜式海洋平台在平整冰、碎冰及冰脊作用下的动力响应,由此分析了锚泊系统在与海冰作用过程中的张力变化,并验证了该冰载荷计算方法的适用性;分析了不同海冰参数影响下半潜式海洋平台结构冰载荷及动力响应的变化规律,为结构抗冰设计提供了有力的参考。 最后,对本文的研究工作进行了总结和展望。

关键词： 预应力混凝土结构   服役离散性   高斯混合模型   判定准则   性能评价方法  

摘要： 依据工程实测数据,验证了单筋有效预应力概率分布特征,提出了基于高斯混合理论的结构预应力系统概率分析模型,确定了峰度、偏度和函数差值控制的正态显著性判定准则,建立了适用于工程抽样的高斯混合模型正态化简化分析方法.以95%保证率为约束参数,建立了基于实测数据的结构有效预应力性态和服役性能评价方法.结果表明:结构有效预应力概率分布可采用单个正态或多个子分布高斯混合模型近似表征;以95%保证率为约束参数,可协调估计精度与实测效率之间的矛盾,满足工程测试需求,实现了预应力服役离散性的科学量化分析.

关键词： 岩体   离散结构面网络   通用椭圆盘模型   岩质边坡  

摘要： 构建三维离散结构面网络(DFN)是国内外公认的定量表征岩体结构最有效的手段。目前基本将结构面假定为圆盘模型,然而针对形状各异的天然结构面,圆盘模型适用性不强。最近具有广泛适用性的通用椭圆盘(UED)模型已建立。基于UED模型,开展岩体三维离散结构面网络模拟研究。首先概述了UED模型的几何参数,具体包括中心点位置、产状、长轴长、长短轴之比、长轴旋转角、三维密度;然后,针对结构面在岩体露头的两种出露方式,分别介绍了UED模型几何参数的确定方法;最后,以某岩质边坡为例,详细介绍了基于蒙特卡洛模拟生成了该边坡岩体三维UED DFN网络的过程。此外,对比了UED模型与现有的圆盘模型和相似椭圆盘模型的表征精度,结果表明,UED模型的表征精度分别比圆盘模型和相似椭圆盘模型的高16%和22%。

关键词： 认知诊断   潜在结构模型   高阶结构   离散变量  

摘要： 在属性连续高阶结构基础上,提出了属性的离散高阶结构,通过logit函数描述潜在的离散变量和属性之间的关系,解决了属性可能依赖于潜在的离散变量问题。采用贝叶斯MCMC方法估计模型参数,两项模拟研究表明,新提出的模型在项目参数和属性模式上有较好的恢复,并且相比于DINA模型,具有更快的计算效率。提供的PISA2012基于计算机的数学数据进一步证明该模型的优越性。

关键词： 离散元   构件碰撞   倒塌全过程   钢混结构  

摘要： 钢筋混凝土框架结构倒塌过程中,结构由连续状态过渡到非连续状态,构件发生断裂、碰撞,各单元排列“失序”,常用的数值计算方法难以模拟出完全分离单元间的碰撞和堆积状态。文中利用改进的离散单元建立结构模型,确立构件断裂准则及碰撞准则,编制计算程序,检索碰撞单元,对结构倒塌全过程进行数值模拟,计算结果与混凝土框架结构爆炸倒塌试验结果一致,为离散单元法在混凝土框架结构倒塌全过程数值分析提供参考。

关键词： 全球离散格网系统   六边形   多结构要素   编码运算   平面格网   环境建模   路线计算   北极航道  

摘要： 格网是地理环境数字化离散的数据组织模型。局部投影的平面格网存在适用范围受限、全球扩展困难和单元变形严重等缺陷,而新型多面体全球离散格网大多只关注单元中心,忽视了单元顶点和边的作用,功能囿于数据建模与表达,难以适用于位置相关事件计算。本文首先建立四孔六边形全球离散格网“格心-格点-格边”多结构要素数学模型,推导证明多结构要素的唯一数学描述。然后,依据该数学模型提出格点、格边关联格心的编码运算法则。最后,设计地理环境格网建模和路线计算应用案例证明本文方法的可行性和优越性。结果表明,相较于投影平面格网,六边形全球离散格网的格元变形更小、变形离散程度更小:六边形格元面积、周长和角度形变误差率均小于7.5%,中低纬度区域兰伯特等角圆锥投影格网部分单元面积和周长形变误差率超过10%,高纬度区域墨卡托投影格网面积和周长形变误差率超过60%;相较于单一格元模型,多结构要素能够按事件计算需求准确表达环境信息,更有利于准确计算事件结果。

关键词： 离散二阶差分算法   被动式木结构   碳排放预测  

摘要： 常规的建筑碳排放预测方法受到初始数据序列波动性影响,导致预测误差较大,提出了基于离散二阶差分算法的被动式木结构建筑碳排放预测方法。选取围护结构与建筑外形碳排放影响因素,分别计算直接碳排放强度与间接碳排放强度,并进行扩展拟合,得到综合碳排放强度核算值,将影响指标与碳排放强度值作为离散二阶差分算法的输入数据,获取最终建筑碳排放值,结果表明,所提方法预测相对误差较小。

关键词： 海冰   冰荷载   有限离散元法   断裂  

摘要： 在冬季结冰海域,海冰对海上结构物的作用能够引起结构的震动,甚至能造成结构的破坏。海冰撞击结构对结构施加的冰荷载是海上平台结构设计和寿命评估的重要影响因素。文章主要采用有限离散元法(FDEM)对海冰撞击结构进行研究。使用有限离散元法,将海冰离散为离散单元,其中包含有限元公式,对海冰与结构的相互作用进行评估。通过验证不同参数包括海冰的速度和结构的直径以及撞击的角度,揭示海冰对结构的作用机理,并为海上建筑设计提供借鉴。