面向单向输入力的柔顺正交位移放大机构拓扑构型设计

<正>交位移放大机构用以输出且放大垂直于输入力方向的位移,其构型常采用典型的桥式结构.但是桥式放大机构要实现正交位移转换必须输入双向对称力,否则输出端会产生寄生位移.针对此问题,采用连续体结构拓扑优化技术寻找新构型的柔顺位移放大机构,使之在单向输入力条件下,依然可以实现正交位移转换.基于固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)拓扑描述方法,以输出位移与输入位移比最大化作为目标函数,以相对寄生位移,即输出端寄生位移与输出位移之比作为其中一个约束函数,建立了面向单向输入力的柔顺正交位移放大机构的拓扑优化数学模型.采用伴随法详细推导了目标函数和约束函数的敏度信息,并采用移动渐近线算法(MMA)进行了优化问题的求解.通过数值算例,给出了正交位移放大机构的拓扑优化结果,并探讨了弹簧刚度对拓扑优化结果的影响.最后,通过有限元仿真和实验,研究了拓扑优化得到的新型正交位移放大机构和桥式位移放大机构的相对寄生位移.仿真和实验都验证了所提方法的正确性和有效性.     

基于搜索空间缩减策略的供水管网抗震设计参数优化

供水管网抗震优化设计模型以用户节点的抗震安全能力为设计目标,包含管网拓扑布局及管段结构抗震能力两个设计参数,寻找最优设计参数是离散变量组合优化问题.提出了一种基于两阶段搜索空间缩减策略的管网抗震优化设计模型求解方法,第一阶段利用度约束连通图生成初始种群,缩小优化初始搜索空间;第二阶段采用违约个体修补策略转换优化进行过程中不满足约束条件个体所处的搜索空间,实现了优化过程中搜索空间的动态缩减,提高了优化搜索的效率.此方法在供水管网抗震优化设计中有较高的效率,也可为其他有约束离散变量优化问题提供参考.     

一种桁架结构全局拓扑优化方法

对于应力约束下的桁架拓扑优化存在的奇异最优解问题,结合子集模拟分层技术提出一种可以有效求得奇异最优解的新桁架结构全局拓扑优化方法.通过样本点的合理性判断和Metropolis-Hasting准则,确保了拓扑解的合理性和全局性.算例表明本文提出的方法在处理奇异最优解问题时,可以快速把搜索区域降到退化的低维可行子区域内并以足够的精度收敛于全局最优解.     

基于证据理论的结构非概率可靠性拓扑优化设计

考虑数据信息较少以及认知水平有限情况下的不确定性对于结构拓扑优化具有重要意义.本文引入证据理论处理不精确的数据信息,采用证据理论的不确定测度克服精确概率约束模型建立的困难,并结合拓扑优化策略,形成了基于证据理论的可靠性拓扑优化设计模型.为了提高不确定测度的计算效率,提出了仿生智能优化算法和不精确极值思想相结合的改进优化算法来降低焦元数目和极限状态函数极值求解所导致的计算量.通过两个桁架算例对所提方法进行验证,结果表明,确定性优化结果可能是不确定情况下的失效解,虽然基于证据理论的最优设计在重量和拓扑形式上相对于确定性优化结果偏保守,但具备抵抗不确定波动的能力.     

基于Lingo的离散型桁架结构全局拓扑优化设计

利用Lingo对离散型桁架结构进行拓扑优化设计。首先，对Lingo软件包做了简介。然后，在不同的荷载工况下同时考虑应力、稳定与位移等约束条件，建立了优化数学模型。给出了结构内力重分析的方法，运用该重分析技术，使拓扑优化计算工作量减少。最后，为了确保模型和方法的可行性，给出了一个具有应力和位移约束的桁架结构拓扑优化的算例，算倒表明，运用Lingo解决桁架全局拓扑优化问题是一种有效的方法。     

复杂阴影背景下的USV自动水域边界检测

准确的水域边界检测是无人水面平台(unmanned surface vehicle,USV)自主导航和避障的关键技术.然而,当前基于光学图像的导航避障方法在实际USV系统中的可行性和准确性都偏低,其中,户外复杂自然光照引起的图像阴影是主要的误差源之一.本文提出了一种结合光学阴影处理和能量优化的自动水域边界检测方法,并且在实际的USV系统中得到了验证.首先,详细分析了阴影不敏感的本征图像的基本原理,并用于复杂光照条件下的背景分割;接着,使用光学阴影验证方法区分了不同目标区域,并利用阴影区域和非阴影区域的亮度差值定位水域边界;然后,将水域边界检测问题转化为全局能量优化问题,并为了提高算法的鲁棒性提出了算法的补充条件;最后,使用实际USV系统采集的多组光学图像验证了算法的有效性和鲁棒性.     

特征驱动的结构拓扑优化方法

本文提出一种以特征作为结构拓扑优化基本设计要素的方法.该方法从CAD特征设计概念出发,通过采用隐式水平集函数建立结构的特征模型,将结构拓扑优化转化为设计域内特征布局和形状优化问题,避免了传统拓扑优化方法仅从力学性能角度寻优材料分布,导致拓扑优化结果过于抽象、工程特征差的弊端.本文针对给定体积约束条件下的结构柔顺度最小化问题,发展了固定网格框架下结构响应分析与形状灵敏度分析计算方法,理论上保证了灵敏度计算精度与结构水平集函数的数学表达形式无关.最后以带孔悬臂梁结构与飞机发动机支架结构为例,采用超椭圆/球特征设计要素验证了该方法的有效性与优越性.     

基于GA-GRNN的高速列车头三维优化设计

针对CRH380A高速列车头部外气动减问,设计了一种新基于由曲面局部函数参数化方法,出了一套基于实数编码遗传算法滑因义回归神经网络响应面模（GA-GRNN）气动外优化方法.优化果表明：局部函数参数化方法操作简单、实现方,使用少设计参数可以控制较大区域,且能保证变形的光顺性和不同区域间滑过;使用同样样本点进行训练,GA-GRNN比GRNN的预测精高,更容易到全局最优;优化后,CRH380A三编简化外气动力减小8.7%,本文出优化设计方法简单、高效,为高速列车气动外工程优化设计供了新思路.     

C-B-样条曲线的升阶算子与几何生成法

因为升阶算子与几何收敛性不易求得,故样条曲线很难像B′ezier曲线那样通过对控制多边形的几何割角生成.为了得到C-B-样条的几何生成算法,首先利用双阶样条解决了升阶算子.接着,证明了对样条曲线进行基于升阶算子的升阶,其控制多边形序列会逐渐收敛到初始的样条曲线.这种几何生成算法具有明显的几何直观性,计算简单稳定,利于硬件执行.由于椭圆、螺旋线等工程上应用广泛的曲线可以由C-B-样条精确表示,因此算法对CAD造型系统有重要的意义.     

基于三次B样条逆向细分的自由曲线的多分辨率表示

目前国内外关于逆向细分的研究主要集中于曲面逆向细分,对大量的特定曲线细分法的逆向细分算法研究较少,对于基于逆向细分的曲线的多分辨率构造及简化也鲜有研究.针对三次B样条细分法具有几何意义明显、规则简单等特征.本文从几何角度出发,推导并给出了基于三次B样条细分的逆向细分规则,在此基础上提出了自由曲线的一种新的多分辨率表示方法,通过在对自由曲线进行逆向细分时保留细节信息,最终可以实现自由曲线的多分辨率表示,并可应用于自由曲线的简化与精确重构中.文中给出了曲线的多分辨率表示、简化和重构的例子.该方法几何意义明显,易于编程实现.实验表明应用该逆向细分法得到的简化曲线能够更明显地反映原曲线的变化趋势.本文方法在构造分解矩阵和重构矩阵方面较以往的某些方法简单,并且在分解和重构曲线时的计算量相较于以往的方法较少.     

基于直接控制FFD参数化方法的跨声速层流翼身组合体稳健性设计

自由变形技术(FFD)技术不是对几何外形的直接操作,进行精细化设计时需引入高阶FFD控制体,针对其在参数化几何外形时的局限性,开展了直接控制FFD参数化方法的研究.通过对基础外形典型剖面进行扰动,将扰动量通过参数识别反映到FFD控制节点上,反求控制节点的位移,有效地降低了高阶FFD控制体进行三维外形参数化时设计变量的个数,并且将典型剖面参数化与三维外形灵活结合,更具物理直观性.运用此参数化方法结合四元数网格变形技术,采用γ- Reθt转捩模型进行边界层数值转捩模拟,多种群协作粒子群算法以及自适应采样技术构建稳健性优化设计系统,运用该系统对于跨音速层流翼身组合体进行了稳健性设计,设计结果表明,优化后的翼身组合体在马赫数不确定性范围内不仅可以保持大范围的层流区域,还可以控制激波缓慢发展,具有较好的稳健性.     

少自由度并联机构的位移流形综合理论

提出了少自由度并联机构基于李群理论的位移流形综合理论. 给出了全部9类少自由度并联机构的机构位移流形, 分支位移流形和保证所有分支位移流形之交集为期望机构位移流形的几何条件. 利用位移子群乘法运算的封闭性, 可得到不同结构的分支运动链. 使用这些分支运动链, 满足相应几何条件即可构建出具有期望自由度的并联机构, 并且其优点是无需判别机构的瞬时性, 依据此原理可以进一步根据多方面的实际需要综合新的机型.     

基于 SimMechanics的6 PTS并联机构仿真与分析

简要介绍了某种大工作空间快速运动并联机构,基于动平台和基座滑块之间的矢量关系推导出该机构的运动学逆解,并利用 SimMechanics仿真工具对该机构进行了仿真研究.通过对仿真结果的分析,该机构运动平稳、驱动力变化连续平滑,运动学及动力学性能良好,验证了机构的合理性;通过对该机构的优化设计,提高了该机构的运动学及力学性能,为进一步的结构综合尺寸优化奠定了基础     

多工况拓扑优化问题的一种新解法——导重法

将导重法引入两类多工况拓扑优化问题的求解.首先介绍了导重法及其拉格朗日乘子的求法,并用对偶方法对多约束优化问题的拉格朗日乘子求法进行了改进;然后推导了用导重法求解最小柔度拓扑问题和最小质量拓扑优化问题的迭代公式并计算了相应的算例.算例计算结果表明,采用导重法求解多工况拓扑优化问题具有迭代公式简单、收敛速度快、求解效果好的优点.通过与Ansys中采用的SCP方法的计算结果进行比较可以看出,导重法是求解拓扑优化问题的一个行之有效的方法,它为拓扑优化问题的求解提供了一条新的途径.     

供水管网抗震拓扑优化算法研究

针对供水管网抗震拓扑优化问题,引入管线单元投资重要度的概念评价管网中管线对管网抗震的贡献.在此基础上,将遗传算法、遗传-模拟退火算法、蚁群算法和微粒群算法等现代组合优化算法应用于供水管网抗震拓扑优化中.通过算例对上述算法的优劣进行了对比分析.结果表明：遗传-模拟退火算法表现最好,遗传算法和微粒群算法次之,而蚁群算法的搜索性能较差.     

基于（火积）耗散率最小的伞形柱状肋片构形优化

采用解析解法,以无量纲平均热阻作性能指标,对柱状一级组合的伞形肋片进行构形优化,得到了伞形肋片的最优构形.结果表明：单元级柱状肋数量越大,肋片的导热性能越差;在某些设计参数下,优化后的伞形肋片退化为柱状肋;优化后的伞形肋片的直径受设计参数的影响很小.基于耗散率定义的平均热阻反映了整个伞形肋片在传热过程中的导热性能.工程上对肋片进行热优化设计时,在极限安全温度下应尽量选择对应耗散率（平均热阻）最小的构形设计.     

全局环境未知时基于滚动窗口的机器人路径规划

研究了全局环境未知时机器人的路径规划问题,借鉴预测控制滚动优化原理,提出了基于滚动窗口的移动机器人路径规划方法.该法充分利用机器人实时测得的局部环境信息,以滚动方式进行在线规划,实现了优化与反馈的合理结合.探讨了规划算法的收敛性.     

基于光学衍射的纳米尺度深度重建

传统的离焦深度恢复方法（depth from defocus,DFD）在计算离焦图像的模糊程度时,均是基于几何光学成像原理,并没有考虑光波衍射对图像模糊的影响.然而,衍射现象是波的基本特性,以针孔成像为基础的光学成像系统中必然存在光波衍射.本文基于光学衍射和图像模糊机理,提出了一种精确的单目视觉全局景物3D深度信息获取方法.首先,详细分析了光学成像系统中的菲涅耳衍射机理,建立了衍射模糊与景物深度之间的关系曲线;然后,采用曲线拟合的方式建立了衍射模糊的模糊程度（点扩散函数扩散程度）与景物深度的数学关系模型,结合热辐射和图像相对模糊原理,构建了衍射模糊热辐射方程组,并把衍射模糊深度获取问题转换成一个深度信息动态优化问题.最后,使用标准的纳米栅格模板验证了衍射模糊深度重建算法在纳米尺度相对深度和绝对深度重建中的有效性和精确性.     

静动态力学条件下多孔金属的材料/结构多级优化设计研究

将微结构胞元内部构型设计、胞元排布设计和宏、细观跨尺度计算相结合,建立了基于同一微结构的材料/结构多目标拓扑优化的静动力学设计模型.分别给出了材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计的灵敏度有限元列式,在此基础上以简支梁和悬臂梁为例进行了数值计算.结合多孔金属材料具有功能性特点,基于数值算例的结果,在结构承载方面讨论了多孔金属材料/结构静动力学优化设计中的材料设计、结构设计和一体化设计的异同和各自的适用范围.指出材料设计侧重于功能性,结构设计侧重于结构效率,而材料/结构一体化设计由于兼顾了功能性和结构效率特点,较好地实现了集成化设计;为多孔金属设计选取合适的设计方式提供依据.     

民用客机变弯度机翼优化设计

针对民用客机机翼-机身-平尾构型开展了后缘连续变弯度机翼气动优化设计,并探索了在优化设计中添加俯仰力矩配平约束的必要性.采用自由型面变形(free form deformation,FFD)方法对全机构型进行参数化,可实现机翼型面、后缘弯度和平尾偏转角的改变.采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随技术求解气动力系数对设计变量的梯度,并采用序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计.针对CRM(common research model)构型开展了考虑多约束的气动减阻优化设计,验证了优化设计系统的有效性.在此基础上,针对不同巡航升力系数分别进行了考虑和不考虑全机力矩配平约束的变弯度机翼优化设计.优化结果表明,通过机翼后缘变弯度可以改善机翼展向升力系数分布、减小激波强度;为了获得综合最优的减阻设计结果,必须考虑力矩配平约束.