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.     

一种针对不确定性结构的区间鲁棒性优化方法

本文提出一种针对不确定性结构的区间鲁棒性优化方法.首先,采用区间模型度量目标函数和约束函数中的不确定变量和参数.然后引入鲁棒性评价因子来度量目标函数的鲁棒性,并采用区间可能度方法(RPDI)处理不确定约束,进而建立区间鲁棒性优化模型.针对区间鲁棒性优化求解效率较低的问题,提出一种高效的优化方法,该方法将双层嵌套优化问题解耦为区间分析和确定性优化方法序列求解的问题.在每一迭代步,根据在当前设计点下的区间分析结果构建一个等效确定性优化问题,然后通过求解该问题更新设计点.此外,本文还提出一种迭代机制,来提高整个优化过程的收敛速度.最后,给出了三个数值算例和一个工程算例验证本文方法的有效性.     

基于成对曲线组合的柔顺机构设计

采用拓扑优化技术进行柔顺机构设计成功与否在很大程度上取决于所采用的机构几何表述方式.本文提出了一种全新的基于成对曲线组合（对线组）的表述方式.这种几何表述方式,首先确定机构的输入输出区域.虽然在初始阶段不知道机构在设计域的分布,但是载荷加载需要借助机构输入输出点,因此必须有至少一个加载区域,一个支撑区域和一个输出区域.将这些输入输出区域利用成对Bezier曲线直接或间接连接起来形成一种可以承载负荷的柔顺机构.这种几何表述方式生成的机构边界为曲线函数之组合,解决了拓扑优化设计中的锯齿和模糊边界问题,并且可以同时进行形状和拓扑优化并且保持结构边界的光滑,没有棋盘格现象和中间密度单元等.基于对线组进行柔顺机构表征,会产生一些复杂的结构,基于FG-FEM有限元法进行仿真分析求得响应.研究柔顺机构拓扑优化设计理论与方法,采用图的形式对机构对象进行编码,利用遗传算法的全局寻优能力寻找全局最优解,数据算例的结果表明,提出的方法正确有效.     

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。     

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.     

基于棋盘型高拓扑热沉结构不同喷嘴射流分布结构的数值研究

电子或电力电子芯片的高密度热流换热问题是制约芯片技术的核心问题之一.本文针对棋盘型喷嘴射流/歧管/微针翅复合结构拓扑形态设计和几何构造参数影响关系进行数值模拟研究.建立喷嘴阵列在正方形、正六边形和菱形三种拓扑结构下换热单元的计算模型,分析各拓扑结构不同参数尺度的流动换热性能.计算结果表明,当射流孔和微针翅的直径分别为50和100μm时,正六边形喷嘴阵列拓扑下复合换热结构压降较小,但换热效果也受到局限;菱形喷嘴阵列拓扑虽然具有最高的局部对流换热系数(150000 W/(Km~2)),但微针翅表面的换热系数较低,温度分布的不均匀程度较大;正方形喷嘴阵列拓扑下热沉的性能具有显著优势,压降仅3150 Pa时,总热阻低至0.099×10~(-4)Km~2/W.该复合热沉结构具有高拓扑性,易于与不同形状大小的芯片相结合,在进一步降低结构尺度和接触热阻后,将在高热流密度芯片冷却领域展示出更好的应用潜力.     

基于控制理论的透平叶栅气动反设计优化

本文应用控制理论,采用提出的基于网格节点位置坐标直接变分法,研究建立了一般性优化问题的伴随系统,研究发展了基于控制理论的轴流式透平叶栅气动反设计优化方法与系统.该伴随系统的推导过程以尽可能的减少计算资源为宗旨,应用分部积分公式和连续伴随方法,最终得到的目标泛函变分的表达式中仅仅含有网格坐标变分的边界积分项,避免了梯度计算过程中网格内部节点的重复生成,相对于传统的伴随方法更进一步节省了计算资源.伴随系统的数值求解采用ROE格式近似黎曼通量和显式五步龙格-库塔时间推进法,并使用多重网格技术和当地时间步长加速收敛.为验证本文伴随系统的稳定性、通用性、收敛性和精确性,通过定义不同的目标函数进行了考核,研究结果表明,本文所研发的伴随系统和反设计优化系统具有优秀的鲁棒性和高效性,能够有效应用于轴流式透平叶栅气动反设计优化中.在此基础上,结合本文所研究的气动优化理论,建立了应用Euler方程和N-S方程的伴随方法叶栅气动反设计优化方法与系统,研发了轴流式叶栅的二维、三维无黏及黏性条件下的压力反设计、等熵马赫数反设计软件,成功进行了数值算例研究,验证了该优化系统的有效性和经济性.     

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.     

基于gauge函数的机器人无碰撞路径规划方法

在ｇａｕｇｅ函数的基础上提出了一种描述凸多面体集间拓扑关系的数值指标，用来检测凸多面体集间相交，边界接触和非接触。该指标函数的值是线性规划问题的角，计算简便，可应用于机器人柔性路径规划方法中假设路径的无碰撞约束检测，并提供生成中间位姿 的启发信息。     

V 带传动最大承载能力的全局优化设计

建立了V 带传动承载能力最大化问题的最优设计模型. 研究了该模型中目标函数凹性、单调性和全局最优性条件, 证明了V 带传动最优设计问题的可行域是有界闭凸集. 以此为基础, 提出了寻求该模型全局最优解的最优值线段算法. 在4 种不同的设计条件下, 给出了V 带传动最大承载能力的全局优化解法. 工程设计案例研究表明了该模型和全局优化方法具有广阔的应用前景.     

一种基于光纤光栅的双月牙弧轮辐式扭矩传感器

设计了一种量程为100 Nm的轮辐式光纤光栅扭矩传感器。该传感器的弹性元件采用轮辐式,并创新地采用双月牙弧形状的辐条结构,大大提高了弹性元件的应变灵敏度。在有限元仿真的基础上,以变形量最大为目标函数,对弹性元件的几何尺寸进行了优化设计。通过仿真和实验验证,该弹性元件的应变量与光纤光栅反射光中心波长的偏移量成线性关系,这种新型轮辐的应变灵敏度比传统轮辐提高近一倍,为18 pm/Nm,重复性误差为±1%。     

实时人脸特征提取

快速精确的人脸特征提取是人脸识别和表情分析的基础.文中提出了一种新型高效的视频人脸几何特征实时提取方法.视频输入图像以加权图形式表示,通过在加权图上的随机游动实现人脸像素级特征的自动提取,脸部特征包括外轮廓、眉毛、眼睛、鼻子和嘴唇.加权图采用8-邻接结构,定义在图的边上的加权值反映随机游动通过该边的似然度.随机游动模拟了一个各向异性的扩散过程,此扩散过程在滤除图像噪声点的同时保留下脸部特征点.随机游动从一些事先通过颜色和运动信息确定的、最具人脸特征的种子点开始,通过随机游动获得的人脸特征点以其原始形式统一保存在多个链表结构中,并根据人脸各部分的相对位置聚集成对应的特征点集合.有关人脸结构的先验知识通过Bayes方法结合到分析过程中.为了便于高层视觉计算,采用统计形状分析方法,将人脸特征点进一步表示成形状和配准信息,形状是具有仿射不变特性的几何信息,用于描述人脸的全局特征.形状的距离度量采用Procrustes距离.实验结果表明,提出的方法快速高效,能够实时地从视频中提取出人脸特征,在一定程度的光线变化、尺度变化、头部转动、手部干扰的情形下仍可以正常工作.     

压电驱动的载荷比拟方法

随着压电材料与结构大量进入航空航天结构控制领域，针对大型复杂结构的压电驱动计算与优化对计算方法提出更高的要求．本文提出并验证了压电驱动载荷比拟方法．使用该方法可以大大降低有限元模型规模，避免多压电铺层面内电压定义困难、简化材料参数在材料主向与单元主向之间的复杂转换，特别适合于结构强度工程人员进行压电驱动的振动与形状控制设计．     

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.     

参数不确定情况下结构系统重要性分析

为分析随机变量分布参数的主观不确定性对结构系统安全性能的贡献,建立了分布参数主观不确定性对结构系统功能函数和可靠度指标基于方差的重要性测度模型.通过对功能函数的各阶矩进行一阶泰勒展开,将局部参数灵敏度的计算和重要性测度的计算联系起来,并利用功能函数的各阶矩来近似结构系统的可靠度指标,从而建立主观不确定性参数对功能函数和可靠度指标影响的重要性测度求解方法.通过对数值算例和工程算例的分析,对比说明了文中方法在保证计算精度的条件下具有高效性,同时计算结果也提供了减小结构系统输出响应变异性和提高结构系统可靠性的途径.     

基于内乘波概念的三维变截面高超声速进气道

提出并命名了高超声速三维变截面内乘波式进气道,其进、出口截面形状同时可控,且能够全流量捕获来流;分析了高超声速进气道的流线追踪设计方法与外流乘波体设计方法间存在的联系;根据内收缩基本流场的特点,从理论上证明吻切锥理论不适用于内乘波式进气道设计,而吻切轴对称理论则可以运用于变截面内乘波式进气道设计.在此基础上,提出了变截面内乘波式进气道的两类具体设计方法.采用这两类方法,获得了三角形进口到椭圆出口和方形进口到椭圆出口的变截面内乘波式进气道方案.计算结果证实,变截面内乘波式进气道设计理论可以在实现截面形状三维复杂过渡的同时,保证进气道内部激波形状和主要流动特征仍与设计基本流场一致,进气道初始激波贴口,实现内乘波,全流量捕获来流.该设计理论为复杂外形的三维高超声速进气道设计提供了思路,但此类进气道在设计和非设计状态下的具体流动特征及工作特性都还有待进一步研究.     

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.     

大变形飞机配平与飞行载荷分析方法

提出了一种可同时考虑结构几何非线性效应曲面气动力效应的大变形飞机静气动弹性配平和载荷分析方法.该方法利用三维曲面涡格法计算大变形飞机的曲面气动力,引入非线性结构有元计算方法考虑结构几何非线性效应,采用曲面样条插值方法解决气动/结构耦合问题,然后结合全机在变形构型下的刚体运动平衡方程进行柔性飞机大变形状态气动/结构耦合情况下的静气动弹性配平迭代求解.以某常规局大展弦比柔性飞机半展长缩比模型为例,应用该方法对其纵向静气动弹性配平特性及飞行荷进行详细的分析与研究,并与MSC Flightloads线性方法的计算结果进行了对比.分析结果表明结构变形较小时,本文非线性方法和线性方法的计算结果吻合较好.而当结构具有较大变形时,由于线性方法无法考虑气动力曲面效应和结构几何非线性效应故不再适用,而本文出的非线性方法可对大柔性飞机在大变形构型下的配平特性作出较为准确合理的预测,并可满足飞机设计各个阶段的工程应用需求,完成考虑结构几何非线性静气动弹性配平特性的多轮次快速分析.     

基于一种动态特征选择融合算法的蛋白质结构类预测

本文根据氨基酸理化性质，基于氨基酸组成成分与自相关函数相结合特征提取法从非同源蛋白质序列中提取七个特征集，采用局部正确性的动态特征选择算法进行多特征组合来预测蛋白质结构类，并与各个特征集进行了比较。结果表明，DFS_LA算法的预测总精度较各个特征集均有不同程度的提高。Jackknife检验下，DFS_LA算法的预测总精度为82．80％，比COMP特征集提高8．91％；独立测试检验下，DFS_LA算法的预测总精度为86．67％，比COMP特征集提高11．67％。这说明DFS_A算法可有效提高结构类预测精度，多特征组合能在一定程度上更多地反映蛋白质的空间结构信息。