TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计

三周期极小曲面（triply periodic minimal surface,TPMS）点阵结构因其优异的综合性能受到中外学者的广泛关注。在点阵结构实际应用过程中,常常需要对其进行优化设计以兼顾轻量化与承载性能两方面的要求。目前,对TPMS点阵结构的优化设计主要集中于密度梯度层面,未综合考虑载荷方向对其力学性能的影响。为此,首先研究了TPMS点阵结构的各向异性特征。基于平均场均匀化方法求解了不同类型TPMS点阵结构的等效弹性矩阵,通过Matlab插值计算,绘制了其在三维空间范围内的杨氏模量图。发现不同类型的TPMS点阵结构呈现出不同的各向异性特征,其中W点阵结构在[100]等轴线方向上性能较强,在[111]等斜向对角方向上性能较弱,而P点阵结构则刚好相反。根据TPMS点阵结构的各向异性,同时考虑主应力方向以及相对密度分布对其性能的影响,提出了TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计方法。以悬臂梁模型为基础,基于载荷边界条件对其进行拓扑优化设计,并将拓扑优化密度云映射为点阵结构的相对密度分布,从而实现密度梯度设计。根据TPMS点阵结构的各向异性特征以及单元主应力方向分别选择W和P点阵单胞填充悬臂梁,使主应力方向位于点阵结构性能较强的方向,避免点阵结构在性能薄弱的方向承受较大的应力。将不同类型的TPMS点阵单元合理分布后,利用激活函数将它们进行杂交连接,实现结构梯度设计。综合相对密度分布和单元结构分布,生成密度梯度杂交点阵结构。采用有限元仿真方法对比分析优化设计前后点阵结构的承载性能,结果表明密度梯度W和P点阵结构的刚度与对应的均质点阵结构相比都有明显提高,而由W和P两种点阵单胞组成的密度梯度杂交点阵结构刚度最大,比密度梯度W和P点阵结构分别提高4.63%和33.63%。该结果表明在密度优化的基础上,根据承载时单元主应力方向将不同类型的点阵结构进行合理分布以及混合杂交设计能够进一步提高结构的整体刚度。建立的TPMS点阵结构密度梯度杂交优化方法为其在轻量化设计等方面的应用提供了一定的指导。     

面向3D打印的钛合金点阵接骨板设计及其仿真

为了改善骨折愈合过程中因金属接骨板弹性模量过大引起的应力屏蔽效应问题,基于拓扑优化与有限元建模技术设计一种面向3D打印的点阵结构接骨板.以钛合金胫骨接骨板为例,建立简化有限元模型,结合有限元法及数据采样方法,分别对实体接骨板系统和点阵接骨板系统进行仿真,并对比其力学性能上的异同点.基于点阵接骨板系统的力学性能分析,实现...     

基于节点密度法的连续体结构拓扑优化结果提取

研究影响拓扑优化结果提取的各类因素及解决方法.基于节点变密度法建立连续体结构拓扑优化模型,连续密度场在结构拓扑数学描述上抑制了棋盘格现象.采用密度过滤技术进一步提高密度场的连续性和光滑性,从而消除了网格依赖性现象.密度-弹性模量惩罚措施及两步过滤策略减少了中间密度节点数目并消除图像扩散现象.拓扑优化密度云图输出方式得到光滑的轮廓边界.通过二维经典拓扑优化数值箅例验证了方法的正确性.     

3D打印TPMS多孔材料力学性能数值仿真

基于三周期极小化曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)理论,设计了不同相对体积占比的螺旋二十四面体单胞模型以及拓扑模型,并通过有限元仿真软件计算了不同冲击速度下结构的力学响应,对其应力分布、力-位移曲线、承载能力、吸能效率等方面进行了分析和探讨。数值模拟结果表明,TPMS拓扑结构多孔模型具有优秀的吸能性能,相对体积和冲击速率的提升均会导致结构吸能总量及效率的升高;并且在相同条件下,多胞体的吸能效率较单胞有所提升。同时该结构在受到冲击载荷时应力分布均匀,不易产生应力集中现象;其承载能力随着相对体积分数的增加有明显的提升;结构表现出一定的应变率敏感性,高应变率下结构的坍塌力和平台力有显著提高。研究结果为多孔材料工程产品优化设计提供了相关依据。     

含接触碰撞的变拓扑系统动力学仿真

利用计算多体系统动力学理论对变拓扑系统进行建模,引入拓扑切换条件解决以接触碰撞为特征的多刚体系统动力学的变拓扑问题,实现变拓扑系统的连续仿真.同时,考虑到复杂机械系统中存在着多处的机构干涉和限制,提出了多体系统的接触碰撞模型,研究了多体系统接触碰撞的处理方法,得出了一种有效碰撞点的近似计算方法.     

影像建模技术在轮胎花纹逆向建模中的应用

针对三维激光扫描建立轮胎花纹模型的方法存在设备成本高、外业任务量大、操作过程复杂等问题,提出了基于轮胎影像的全自动三维建模方法。通过对三维模型绝对定向,利用数码相机采集影像数据,导入Recap软件进行处理和后期模型修整逆向建立高精度轮胎花纹三维模型。利用最小二乘平面拟合法确定标识点中心坐标,计算标识点之间的距离,通过对比光栅扫描仪扫描的点云模型与本研究方法建立的三维模型特征点之间的距离,评估本方法的建模精度。结果表明,利用影像建模技术能快速重建轮胎花纹模型,且相对于光栅扫描仪建立的三维模型,该建模精度达到1.108mm,符合轮胎花纹的建模需求,且模型表面纹理更加真实。基于一定的操作准则,通过数码相机拍摄的影像资料能较好的完成轮胎花纹三维建模工作。     

基于BLT方程的复杂线缆网络电磁干扰响应求解

在介绍BLT方程以及BLT方程相关参数的计算方法的基础上,利用电磁拓扑理论中管道和节点的概念对复杂线缆网络进行拓扑建模,进而解决场线耦合下多导体传输线负载响应问题,并对一复杂网络拓扑结构进行了范例分析,获得该拓扑结构中每个节点的干扰电压响应。验证了电磁拓扑法及BLT方程是解决复杂系统电磁干扰问题的有效方法,对复杂系统的电磁耦合现象的研究具有实际应用价值。     

一种保持拓扑结构的隐式活动轮廓图像分割方法

提出一种保持拓扑结构的图像分割方法, 通过应用一个限制拓扑结构的边缘检测函数替代经典的边缘检测函数, 抑制了活动轮廓的拓扑结构变化. 活动轮廓模型采用基于水平集方法的隐式结构, 数值离散采用加性算子分裂(AOS)格式. 结果表明, 所提出的方法能有效地保持轮廓的拓扑结构, 并且具有较高的计算效率.     

基于Ordered SIMP插值模型的 点阵-实体复合结构拓扑优化设计方法

为了提高点阵材料结构件的力学性能,提出了一种基于Ordered SIMP方法的点阵-实体复合结构拓扑优化方法.采用一种三维X型微结构单元作为点阵材料,通过数值拟合建立点阵材料相对密度与其等效物理属性之间的函数关系.在宏观结构拓扑优化问题中,以点阵材料等效密度为设计变量,基于Ordered SIMP插值方法建立点阵材料和实体材料相结合的多材料插值模型,进而,以材料体积用量为约束,以结构柔度最小化为目标实现点阵-实体复合结构的多尺度拓扑优化设计.通过数值算例和实验测试表明,相比于仅使用点阵材料填充的设计,本方法能够获得更好的结构刚度.     

基于机器视觉的烹饪机器人锅具识别算法

全面介绍了基于机器视觉的烹饪机器人锅具识别算法,用于提取复杂背景中的锅具曲线.算法分为两个阶段:特征点确定、图像匹配.使用曲率作为特征点,给出了数字图像的离散特征点计算方法和加权Hausdorff距离识别锅具轮廓特征点.解决了图像因为旋转、位移、缩放造成图像形变以及由于锅具动作图像部分遮挡、动态模糊造成识别困难问题.实验表明该锅具识别算法能够高效地提取画面中的锅具轮廓,能较好地满足烹饪机器人示教系统的要求.     

基于分形维数特征的肺结节形状建模

针对肺结节形状建模的问题,提出了一种基于复杂网络的分形维数特征的肺结节形状建模的新方法.首先利用形状轮廓上的采样点之间的欧式距离进行网络化建模,然后利用局部二进制模式值对网络进行动态演化,并利用分形维数对复杂网络的复杂性进行分析.相较于传统形状建模方法,本文方法不仅考虑了形状的局部纹理特征,提高了形状发生非刚性形变的抗干扰能力,还不需要对样本形状进行对齐,提高了建模的效率.使用LIDC-IDRI数据库和沈阳盛京医院的CT资料,经仿真实验,结果表明本文方法能够建立表现良好的肺结节形状模型.     

尖灭分叉型煤层三维地质建模研究：基于地质统计学和符号矩阵的方法

由于成煤期的泥炭沼泽基底不平以及地质环境等的变化，导致相对较大的地质区域内煤层常出现尖灭、分叉等复杂情况，影响开采设计，为高效准确定位煤层边界及分布位置，本文提出一种基于地质统计学和符号矩阵进行三维地质建模的方法。通过符号矩阵方法，按照一定精度离散煤层和非煤层数据，利用泛克里金法确定平面煤层厚度，反距离加权法确定每个栅格的符号距离函数估值，局部窗口对煤层进行精准定位，确定与煤层厚度相匹配的距离函数截距，建立煤层的三维地质模型。本文还讨论了距离函数截距对煤层精度的影响；滑动垂直窗口大小与煤层位置对建模结果中煤层连通性的影响。结果表明，该建模方法可以针对煤层尖灭、分叉等复杂情况快速建模，对大范围区域地质模型构建有一定的适用性，自动化程度高，可应用于煤层开采设计及资源评估。     

目标组织轮廓的三次非均匀B样条逼近

提出断层医学图像中目标组织轮廓最少数据点描述的样条曲线建模方法．首先采用多边形逼近将图像分割和轮廓跟踪所获得的目标组织轮廓线上几乎共线的部分离散数据点去除；再以剩下的轮廓数据点作为型值点，采用周期B样条曲线逼近的方法，得到控制误差条件下最少数据点描述的目标组织轮廓曲线，并依照IGES标准，输出医学内植物设计和骨组织有限元分析所需的目标组织样条曲线几何模型．     

基于边缘交点聚类法的眼底图视盘轮廓提取

由于眼底血管闭塞、噪声和弱边界等原因,主动轮廓模型不能够精确地收缩至视盘的轮廓边缘,由此提出基于边缘交点聚类的轮廓提取方法.由初始轮廓确定一个矩形区域,选取该矩形区域的主对角线、副对角线、垂直中心线和水平中心线,求其与视盘边缘的交点,将所有候选交点进行K-Means聚类分析,取得位于边缘附近的点作为主动轮廓模型的初始轮廓点,进行能量最小化计算,直至轮廓停止收缩.实验证明,经边缘交点聚类初始化后再运用主动轮廓进行视盘边缘提取,轮廓最终会较为精确地收缩于视盘边缘.     

Vector bundle constraint for particle swarm optimization and its application to active contour modeling

Active contour modeling (ACM) has been shown to be a powerful method in object boundary extraction. In this paper, a new ACM based on vector bundle constraint for particle swarm optimization (VBCPSO-ACM) is proposed. Different from the traditional particle swarm optimization (PSO), in the process of velocity update, a vector bundle is predefined for each particle and velocity update of the particle is restricted to its bundle. Applying this idea to ACM, control points on the contour are treated as particles in PSO and the evolution of the contour is driven by the particles. Meanwhile, global searching is shifted to local searching in ACM by decreasing the number of neighbors and inertia. In addition, the addition and deletion of particles on the active contour make this new model possible for representing the real boundaries more precisely. The proposed VBCPSO-ACM can avoid self-intersection during contour evolving and also extract inhomogeneous boundaries. The simulation results proved its great performance in performing contour extraction.     

Vector bundle constraint for particle swarm optimization and its application to active contour modeling

Active contour modeling (ACM) has been shown to be a powerful method in object boundary extraction. In this paper, a new ACM based on vector bundle constraint for particle swarm optimization (VBCPSO-ACM) is proposed. Different from the traditional particle swarm optimization (PSO), in the process of velocity update, a vector bundle is predefined for each particle and velocity update of the particle is restricted to its bundle. Applying this idea to ACM, control points on the contour are treated as particles in PSO and the evolution of the contour is driven by the particles. Meanwhile, global searching is shifted to local searching in ACM by decreasing the number of neighbors and inertia. In addition, the addition and deletion of particles on the active contour make this new model possible for representing the real boundaries more precisely. The proposed VBCPSO-ACM can avoid self-intersection during contour evolving and also extract inhomogeneous boundaries. The simulation results proved its great performance in performing contour extraction.     

丘陵沟壑区域大场域空间流场模型边界效应和建模方法： 以山西运城某地区为例

基于计算流体力学相关理论,实现丘陵沟壑区域大场域空间内塔线高度层气流场的精准模拟是研究风载荷下高压输电线路风振响应及力学特性,实现塔-线偶联结构体优化设计的关键。但由于缺乏针对边界效应的系统研究,致使流场仿真结果不精准或模型边界过度冗余而难以求解。为了解决这个难题,论文基于数字高程模型（digital elevation model, DEM）数据对某典型地域建模,通过流场仿真和边界效应分析,系统讨论了复杂地形下特定高度层流场仿真中建模方法和边界效应的影响。结果表明: 计算域高度达到地形高差7倍以上时其边界效应影响基本消失;壁面边界约束导致的流场畸变随冗余距离增加而减小,选择700米的冗余距离可获得更稳定的风场。相关结论明确了计算域对于流场的影响以及流体模型边界效应的消除方法,对高压输电线路结构稳定性和抗风能力提升具有参考价值。     

基于HMAX模型和非经典感受野抑制的轮廓提取

针对图像里处于复杂纹理背景中物体的轮廓提取正确率低的问题,首先研究了基于非经典感受野抑制的轮廓提取算法和HMAX模型,然后利用HMAX模型所具备的具有基本视皮层功能结构的优点,弥补了前者所依据的生物学视觉结构比较简单的不足,最后提出并实现了基于HMAX模型和非经典感受野抑制的轮廓提取算法。通过与Canny算子和非经典感受野抑制的轮廓提取算法的评估比较,表明本文算法有效提高了轮廓提取的正确率。     

基于界址点的地籍时态数据模型

为了高效管理和利用地籍时态数据,在分析了宗地变化规律的基础上,对地籍管理领域的时态建模进行了探讨,提出了基于界址点的时态数据模型及基于该模型的快照查询和历史查询方法,并用实例进行了说明.基于界址点的地籍时空数据模型既用界址点反映宗地的历史联系,又用界址点反映宗地之间的关系,基于界址点的索引机制可以达到快速提取和更新的目的,以便于时态分析的实现.因此,它不仅能够减少数据冗余优化了空间数据的存储,还便于进行历史查询.该研究成果对开发和建设时态地籍信息系统具有一定的参考价值.     

采用改进Snake模型的胸片肺野自动分割方法

为了解决传统Snake模型应用于X光胸片肺野分割时,对人工初始化轮廓的选择敏感、对凹陷区域分割不准确等问题,提出一种基于自动初始化Snake模型的X光胸片肺野自动分割方法.该方法首先通过Otsu法对原始图像进行二值化,得到包含肺野、背景区域的二值图像,并经过图像取反和连通域处理,运用形态学方法,得到只含有肺野区域的二值图像;然后,通过边界提取,完成对Snake模型轮廓的自动初始化;最后通过Snake模型的演化,得到分割结果.实验结果表明:该方法能摆脱Snake模型对人工初始化轮廓的依赖,提高分割的鲁棒性,同时对凹陷区域的分割更准确,具有更好的分割效果.