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Soft Tissue Deformation Model Based on Marquardt Algorithm and Enrichment Function 被引量:2
1
作者 Xiaorui Zhang Xuefeng Yu +1 位作者 Wei Sun Aiguo Song 《Computer Modeling in Engineering & Sciences》 SCIE EI 2020年第9期1131-1147,共17页
In order to solve the problem of high computing cost and low simulation accuracy caused by discontinuity of incision in traditional meshless model,this paper proposes a soft tissue deformation model based on the Marqu... In order to solve the problem of high computing cost and low simulation accuracy caused by discontinuity of incision in traditional meshless model,this paper proposes a soft tissue deformation model based on the Marquardt algorithm and enrichment function.The model is based on the element-free Galerkin method,in which Kelvin viscoelastic model and adjustment function are integrated.Marquardt algorithm is applied to fit the relation between force and displacement caused by surface deformation,and the enrichment function is applied to deal with the discontinuity in the meshless method.To verify the validity of the model,the Sensable Phantom Omni force tactile interactive device is used to simulate the deformations of stomach and heart.Experimental results show that the proposed model improves the real-time performance and accuracy of soft tissue deformation simulation,which provides a new perspective for the application of the meshless method in virtual surgery. 展开更多
关键词 Virtual surgery meshless model Marquardt algorithm enrichment function soft tissue simulation
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A local high-resolution deformation model of soft tissue based on element-free Galerkin method
2
作者 Zhang Xiaorui Yu Xuefeng +2 位作者 Sun Wei Zhu Lifeng Liu Jia 《High Technology Letters》 EI CAS 2019年第3期245-254,共10页
In order to solve the problem that the existing meshless models are of high computational complexity and are difficult to express the biomechanical characteristics of real soft tissue, a local high-resolution deformat... In order to solve the problem that the existing meshless models are of high computational complexity and are difficult to express the biomechanical characteristics of real soft tissue, a local high-resolution deformation model of soft tissue based on element-free Galerkin method is proposed. The proposed model applies an element-free Galerkin method to establish the model, and integrates Kelvin viscoelastic model and adjustment function to simulate nonlinear viscoelasticity of soft tissue. Meanwhile, a local high-resolution algorithm is applied to sample and render the deformed region of the model to reduce the computational complexity. To verify the effectiveness of the model,liver and brain tumor deformation simulation experiments are carried out. The experimental results show that compared with the existing meshless models, the proposed model well reflects the biomechanical characteristics of soft tissue, and is of high authenticity, which can provide better visual feedback to users while reducing computational cost. 展开更多
关键词 meshless model Kelvin model local high-resolution virtual surgery soft tissue deformation
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基于无网格的软组织切割模型的研究进展 被引量:9
3
作者 徐少平 李春泉 +1 位作者 江顺亮 罗洁 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第1期123-128,共6页
具备支持实时交互能力的软组织切割模型对于虚拟手术仿真系统具有至关重要的意义。传统的软组织切割模型多基于网格建立,将软组织切割过程建模为手术刀具与软组织几何模型之间的网格切割计算,并在此基础上建立和求解生物力学方程以描述... 具备支持实时交互能力的软组织切割模型对于虚拟手术仿真系统具有至关重要的意义。传统的软组织切割模型多基于网格建立,将软组织切割过程建模为手术刀具与软组织几何模型之间的网格切割计算,并在此基础上建立和求解生物力学方程以描述切割过程。由于网格切割计算代价高且软组织切割过程中涉及到复杂的生物力学问题,很难实现实时交互,严重影响了虚拟手术仿真效果。与此相反,基于无网格的软组织切割模型打破了网格限制,在触觉/视觉逼真度和实时性方面都具有很大优势。文中从力反馈和视觉反馈的渲染质量和速度等方面,就基于无网格的软组织切割模型的研究现状进行了概述,对存在的问题进行了分析和总结,并对未来的发展方向进行展望。 展开更多
关键词 虚拟手术仿真 软组织切割模型 有限元 无网格模型
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虚拟手术训练系统中软组织切割模型的研究进展 被引量:5
4
作者 程强强 刘小平 徐少平 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期464-474,共11页
虚拟手术仿真训练系统(VSSTS)较好地解决了传统临床医生培训方法中存在的培训周期长、成本高和训练对象匮乏等方面的问题,是一种经济有效的替代训练方式。人体软组织切割作为各类实际手术中最为常见和核心的手术操作类型,对其进行逼真... 虚拟手术仿真训练系统(VSSTS)较好地解决了传统临床医生培训方法中存在的培训周期长、成本高和训练对象匮乏等方面的问题,是一种经济有效的替代训练方式。人体软组织切割作为各类实际手术中最为常见和核心的手术操作类型,对其进行逼真的模拟一直是虚拟手术仿真系统研究中的难点和热点问题。在简要介绍软组织切割模型发展历程后,分别从基于网格和无网格两大建模体系对目前已提出的多种软组织切割模型进行介绍,分析并总结各种建模方法的优缺点及其在各类虚拟手术仿真系统中的具体应用实例。除此之外,针对近年来新提出的混合模型进行分析,并从仿真效果与计算速度角度对未来的发展方向进行展望。 展开更多
关键词 虚拟手术 软组织 切割模型 无网格 混合模型
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基于分数阶无网格法的岩石流变特性试验研究 被引量:4
5
作者 陈家瑞 浦海 肖成 《煤炭技术》 CAS 北大核心 2015年第10期62-64,共3页
研究了分数阶广义Kelvin模型的本构关系,并将其引入到无网格方法中,从而推导出新的算法公式。运用MTS815.02型电液伺服岩石力学试验系统,对泥质砂岩进行压缩蠕变试验。应用分数阶Kelvin无网格法进行反演验证,获得良好效果。
关键词 分数阶微积分 KELVIN模型 无网格法 岩石蠕变
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发动机活塞传热的无网格RKPM计算模型及应用 被引量:2
6
作者 张建平 蒋炎坤 +1 位作者 刘欣 万里平 《内燃机学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第1期78-83,共6页
利用无网格重构核粒子法(RKPM)建立了发动机活塞传热分析的计算模型,采用罚函数法施加第一类边界条件,推导了基于RKPM的活塞传热离散控制方程,并引入可视性准则处理了复杂几何区域中RKPM温度场的非连续性.选择具有解析解的算例验证了计... 利用无网格重构核粒子法(RKPM)建立了发动机活塞传热分析的计算模型,采用罚函数法施加第一类边界条件,推导了基于RKPM的活塞传热离散控制方程,并引入可视性准则处理了复杂几何区域中RKPM温度场的非连续性.选择具有解析解的算例验证了计算方法和程序的正确性,并利用RKPM传热计算模型求解了混合边界条件下的发动机活塞温度场,温度分布与有限元法、有限体积法结果吻合得很好.结果表明,基于无网格RKPM的传热计算模型无论对规则区域还是对复杂几何区域下的混合边界工程传热问题,都能取得较高的计算精度,为发动机活塞传热分析提供了一种新的方法. 展开更多
关键词 发动机活塞 传热计算模型 无网格法
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无单元法应用于节理岩体 被引量:1
7
作者 马泽玲 刘学文 王燕昌 《宝鸡文理学院学报(自然科学版)》 CAS 2002年第3期203-205,共3页
无单元法是一种新方法 ,其在岩体问题的应用中 ,至今报道甚少。根据岩体结构特点和无单元法的优点 ,建立了节理岩体的二维无单元模型 ,编制了相应的节理岩体无单元程序 ,并给出了算例 ,计算结果表明 ,该模型是合理可行的 ,同时给处理岩... 无单元法是一种新方法 ,其在岩体问题的应用中 ,至今报道甚少。根据岩体结构特点和无单元法的优点 ,建立了节理岩体的二维无单元模型 ,编制了相应的节理岩体无单元程序 ,并给出了算例 ,计算结果表明 ,该模型是合理可行的 ,同时给处理岩体节理问题带来了方便。 展开更多
关键词 节理岩体 无单元法 二维无单元模型 岩体结构 岩体力学 节理分布
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行人穿越道路对交通运行拥堵预测仿真 被引量:3
8
作者 崔曼 薛惠锋 +1 位作者 陈福振 卜凡彪 《计算机仿真》 北大核心 2018年第2期81-84,共4页
对行人穿越道路造成交通运行拥堵状况进行预测,将有利于进一步查找造成交通拥堵的深层次原因,提供设置行人过街设施或限制行人过街依据。采用传统仿真方法,仅能得到宏观物理量的统计分析结果,缺乏行人穿越对交通系统影响的实时动态分析... 对行人穿越道路造成交通运行拥堵状况进行预测,将有利于进一步查找造成交通拥堵的深层次原因,提供设置行人过街设施或限制行人过街依据。采用传统仿真方法,仅能得到宏观物理量的统计分析结果,缺乏行人穿越对交通系统影响的实时动态分析。针对上述问题,提出了一种新的适用于行人穿越道路的仿真方法。首先建立行人与车辆宏观交通多相流模型以及行人穿越道路过程物理模型,然后采用无网格粒子仿真方法对所建立的宏观交通多相流模型进行离散,建立仿真粒子与真实车辆及行人之间的对应关系,得到了行人穿越道路过程中行人与车辆在道路上的实时分布状况,分析了行人穿越过程造成的交通波传播特性,同时得到了不同行人流密度情况下对交通流动状态的影响。所得结果与实际交通状况吻合较好,有效预测了行人穿越道路造成交通运行拥堵的原因,同时为研究不同因素对交通运行状况的影响提供了一类新的仿真方法。 展开更多
关键词 行人 车辆 交通流模型 无网格粒子法 仿真
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数值方法进展:从连续介质到离散粒子模型 被引量:9
9
作者 周瑞忠 周小平 吴琛 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2005年第S1期228-239,共12页
数值方法经历了由连续介质到离散粒子模型的进展过程。无网格粒子方法正是离散粒子模型发展的产物,它在纳米时代显示出具大的发展潜能。介绍了无网格粒子方法的背景、原理及其与其他数值方法的区别,探讨了无网格法的基函数、权函数、影... 数值方法经历了由连续介质到离散粒子模型的进展过程。无网格粒子方法正是离散粒子模型发展的产物,它在纳米时代显示出具大的发展潜能。介绍了无网格粒子方法的背景、原理及其与其他数值方法的区别,探讨了无网格法的基函数、权函数、影响半径、本质边界条件、积分与离散方案等热点问题,列举了这种数值方法的应用现状。最后,介绍了自然单元法、多尺度计算概念、中值定理与局部边界积分方程等,并对无网格粒子方法在未来的发展进行展望。 展开更多
关键词 连续介质 离散粒子模型 无网格法 自然单元法 多尺度计算 中值定理 局部边界积分方程
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基于无网格的软组织物理建模及模型验证 被引量:3
10
作者 邹艳妮 刘小平 +1 位作者 李春泉 程强强 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2016年第5期1584-1586,1600,共4页
为了建立精确可靠的软组织物理形变模型,对肝脏的生物力学模型进行了研究。首先,将人体肝脏CT图像在Mimics软件中进行三维重建,通过阈值化操作提取出肝脏的三维模型;其次,采用无网格的物理形变算法在虚拟肝脏仿真系统中对三维模型进行... 为了建立精确可靠的软组织物理形变模型,对肝脏的生物力学模型进行了研究。首先,将人体肝脏CT图像在Mimics软件中进行三维重建,通过阈值化操作提取出肝脏的三维模型;其次,采用无网格的物理形变算法在虚拟肝脏仿真系统中对三维模型进行形变模拟,且通过对真实的猪肝进行单轴压缩实验获取肝脏的材料参数及应力应变曲线;最后,对实验结果进行优化计算选取合适的材料参数,并将使用该参数进行仿真计算的数据与真实实验数据进行比较。对比结果表明,在相同的位移条件下,仿真计算力与真实实验测试力的平均相对误差小于0.1,这证实了无网格形变模型的正确性和有效性。 展开更多
关键词 生物力学模型 三维模型 阈值化操作 无网格 单轴压缩 材料参数
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两种k-ω型湍流模型在无网格方法中的应用研究 被引量:1
11
作者 蔡晓伟 谭俊杰 +3 位作者 王园丁 任登凤 WANG Huasheng 石清 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2014年第5期654-659,667,共7页
基于在高度各向异性点云结构中取得良好结果的点云重构技术,采用移动最小二乘无网格法解耦计算了k-ω型湍流模型方程和雷诺平均N-S方程(RANS),实现了对湍流流动的数值模拟。通过对NACA0012翼型、RAE2822翼型的绕流以及后向台阶大分离流... 基于在高度各向异性点云结构中取得良好结果的点云重构技术,采用移动最小二乘无网格法解耦计算了k-ω型湍流模型方程和雷诺平均N-S方程(RANS),实现了对湍流流动的数值模拟。通过对NACA0012翼型、RAE2822翼型的绕流以及后向台阶大分离流动的数值模拟,比较分析了k-ωSST(Shear Stress Transport)和k-ωTNT(Turbulent/Non-Turbulent)两种模型的湍流预测能力。结果表明:对弱逆压梯度情况下的湍流,两者具有相当的预测能力;而k-ωSST较k-ωTNT具有更好的激波捕捉能力。对于大分离流动,两种模型较实验数据均存在一定差异,但总体趋势吻合良好。 展开更多
关键词 各向异性点云 点云重构 移动最小二乘 无网格法 湍流模型
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土坝裂缝开展的无单元法数值模拟 被引量:11
12
作者 张琰 王建国 +1 位作者 张丙印 李全明 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第5期727-731,共5页
结合压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型和弥散裂缝理论,提出了点插值无单元法模拟土石坝坝体裂缝开展过程的数值计算方法。当压实黏土达到其抗拉强度后,在每个积分点建立各向异性刚度矩阵,并构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂... 结合压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型和弥散裂缝理论,提出了点插值无单元法模拟土石坝坝体裂缝开展过程的数值计算方法。当压实黏土达到其抗拉强度后,在每个积分点建立各向异性刚度矩阵,并构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂的无单元与有限元耦合的计算模式。开发的结点自动加密技术对坝体的拉应力区域进行自动结点加密,并根据可视准则确定无单元结点的影响域。以最小结点间距为开裂步长,通过对坝体裂缝离心模型试验的模拟计算,检验了脆性断裂模型和无单元算法对土体拉伸裂缝发展过程的适用性。 展开更多
关键词 无单元法 脆性断裂 可视准则 离心机模型试验
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基于Delaunay三角化的无网格法计算结果后处理 被引量:9
13
作者 文建波 周进雄 +1 位作者 张红艳 张陵 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2003年第4期105-107,共3页
最近新发展起来的无网格方法由于不需要显式网格 ,节省了网格生成所需的大量时间 ,并且避免了网格畸变问题 ,所以在处理一些特殊问题如移动边界、大变形、高梯度等方面显示出特殊的优越性。但另一方面也使得计算结果的全域后处理遇到困... 最近新发展起来的无网格方法由于不需要显式网格 ,节省了网格生成所需的大量时间 ,并且避免了网格畸变问题 ,所以在处理一些特殊问题如移动边界、大变形、高梯度等方面显示出特殊的优越性。但另一方面也使得计算结果的全域后处理遇到困难。提出了一种基于Delaunay三角形背景网格的实用无网格计算结果后处理方法 ,以无网格离散节点为顶点生成Delaunay三角形 ,将无网格法计算得到的节点应力值映射插值得到三角形内的应力场云图颜色。 展开更多
关键词 无网格法 DELAUNAY三角形 RGB颜色模型 映射插值 应力场 离散节点 后处理
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自适应无网格方法在弹塑性接触中的应用
14
作者 张征 刘更 +2 位作者 刘天祥 曾泉人 佟瑞庭 《西北工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第2期265-270,共6页
应用h型自适应无网格方法对二维弹塑性接触问题进行研究。无网格方法结点排布灵活,计算中可根据需要增减结点,便于自适应分析,通过对弹塑性本构关系和弹塑性接触问题的阐述,给出了自适应无网格方法求解弹塑性接触问题的计算模型和程序... 应用h型自适应无网格方法对二维弹塑性接触问题进行研究。无网格方法结点排布灵活,计算中可根据需要增减结点,便于自适应分析,通过对弹塑性本构关系和弹塑性接触问题的阐述,给出了自适应无网格方法求解弹塑性接触问题的计算模型和程序流程。采用自适应方法分别对圆柱体弹塑性接触和粗糙表面弹塑性接触算例进行求解,并分别与其均匀密化解进行比较。结果表明,在同等条件下采用自适应无网格方法对弹性-理想塑性和弹塑性接触问题进行计算能在较小的计算耗费下取得较好的计算结果。 展开更多
关键词 弹塑性接触问题 自适应无网格模型 自适应加密解 粗糙表面
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节理岩体的无单元模型
15
作者 马泽玲 王燕昌 +1 位作者 任克亮 李进 《宁夏大学学报(自然科学版)》 CAS 2002年第3期234-236,240,共4页
根据岩体结构特点,建立了节理岩体的无单元模型,编制了二维节理岩体的无单元程序,并给出了算例.计算结果表明,该模型是合理可行的.
关键词 节理岩体 无单元模型 无单元程序 岩体力学 岩体结构
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无单元法位移模式及断裂问题分析 被引量:2
16
作者 孟闻远 卓家寿 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第7期828-831,共4页
研究了无单元法中一些严重制约其发展的关键问题,诸如本质边界条件处理,太多的求逆矩阵运算等。借着有限覆盖技术,利用shepard插值及Taylor展开理论,构造出了新的形函数,解决了上述问题并分析了有关断裂及岩土工程问题。
关键词 无单元法 移动插值技术 位移模式
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基于代理模型的指数型功能梯度板固有频率优化 被引量:3
17
作者 魏星 陈莘莘 +2 位作者 张洪峰 李舒祺 姜天缘 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第8期1886-1892,共7页
针对指数型功能梯度板的固有频率优化问题,提出一种基于代理模型的优化方法。采用一种基于自然邻近插值的无网格数值方法——自然单元法,建立功能梯度板的一阶剪切变形理论的自由振动分析格式。选取样本点,用自然单元法计算相应固有频率... 针对指数型功能梯度板的固有频率优化问题,提出一种基于代理模型的优化方法。采用一种基于自然邻近插值的无网格数值方法——自然单元法,建立功能梯度板的一阶剪切变形理论的自由振动分析格式。选取样本点,用自然单元法计算相应固有频率,然后基于此建立梯度指数-频率代理模型,采用Nelder-Mead单纯形法优化梯度指数使板的固有频率达到预设值。通过算例验证算法的计算效率和精度。结果表明,基于分段三次Hermite插值构造的代理模型具有较高的精度;基于代理模型的优化结果避免了多次调用自然单元法计算频率,提高了计算效率。 展开更多
关键词 无网格法 功能梯度材料 代理模型 频率优化 自然单元法
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基于MLS-MWS混合模型的软组织建模
18
作者 陈卫东 刘波 朱奇光 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第6期699-704,共6页
针对无网格模型计算量大和边界处理繁琐的问题,提出一种基于改进最小二乘近似函数的无网格强弱势混合模型(MLS-MWS)。首先,基于场理论将模型划分为内部域和外部域,在内部域中,不与自然边界相连接的节点通过无网格强势法来构建平衡方程,... 针对无网格模型计算量大和边界处理繁琐的问题,提出一种基于改进最小二乘近似函数的无网格强弱势混合模型(MLS-MWS)。首先,基于场理论将模型划分为内部域和外部域,在内部域中,不与自然边界相连接的节点通过无网格强势法来构建平衡方程,该方法无数值积分,从而达到计算量的减少;在外部域中,通过无网格局部弱势法来弱化边界问题。其次,在强势方法中,需利用最小二乘近似式表示位移的二阶导数,针对其计算量大和效率低的问题,提出改进移动最小二乘近似函数和导数,通过将节点值进行两次MLS导数插值,求出该节点的二阶导数,进一步简化计算;最后采用PHANTOM触觉交互设备,对肝脏模型进行拉伸与挤压的形变模拟实验。实验结果表明,MLS-MWS混合模型相比无网格伽辽金模型,单步执行时间从17.3 ms减少到13.8 ms,频率从56.80帧/s提高到72.46帧/s。该混合模型结合无网格强弱势法和双重无网格配点法,达到优势互补,有效提高模型的实时性。 展开更多
关键词 软组织建模 无网格法 双重配点无网格法 MLS-MWS模型
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无网格法河流数值模拟平面区域自动布点技术
19
作者 蔺秋生 黄莉 张细兵 《长江科学院院报》 CSCD 北大核心 2007年第3期8-10,共3页
无网格法数值模拟基于变分原理,采用权函数来拟合真实解,因此,权函数的构造形式至关重要。无网格法不需要网格单元,只需具体的节点信息,是一种很有前途的数值模拟方法。在已有研究工作的基础上提出一种复杂河道平面区域布点算法,利用该... 无网格法数值模拟基于变分原理,采用权函数来拟合真实解,因此,权函数的构造形式至关重要。无网格法不需要网格单元,只需具体的节点信息,是一种很有前途的数值模拟方法。在已有研究工作的基础上提出一种复杂河道平面区域布点算法,利用该方法生成的离散节点可直接用于无网格法数值模拟计算,也可以进一步利用各种网格化方法,由散点生成无结构网格。为了控制散点分布密度,引入了密度控制函数。区域布点算法的一个关键技术是点包含算法,给出了一种既简便又易于实现的算法。应用实例检验了所提出的方法的可行性,并编制了FORTRAN语言环境下的自动生成程序。 展开更多
关键词 河流数值模拟 无网格法 布点 自动生成
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双相材料模拟的区域分解重心插值配点法
20
作者 李淑萍 王兆清 唐炳涛 《玻璃钢/复合材料》 CAS CSCD 北大核心 2013年第1期25-29,共5页
针对双相材料力学性能分析,提出一种极坐标系下的区域分解重心插值配点法。根据材料界面将分析区域划分为两个计算区域,在每一个计算区域上建立极坐标系下重心插值配点法计算公式。组合两个区域上的计算公式,施加材料界面条件和边界条件... 针对双相材料力学性能分析,提出一种极坐标系下的区域分解重心插值配点法。根据材料界面将分析区域划分为两个计算区域,在每一个计算区域上建立极坐标系下重心插值配点法计算公式。组合两个区域上的计算公式,施加材料界面条件和边界条件,求解得到双相材料的位移场和应力场。双材料计算模型的数值算例表明了所提方法的计算精度。 展开更多
关键词 极坐标系 重心插值配点法 区域分解法 弹性力学 双材料模型 无网格方法
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