拱坝体型的多目标博弈设计

提出基于博弈理论的多目标求解方法,给出多目标问题的博弈描述和各博弈方策略空间的计算方法,研究:1)利用Nash均衡模型求解无目标偏好的多目标竞争问题;2)利用Stackelberg寡头模型求解有目标偏好的多目标竞争问题;3)利用合作竞争模型求解关注整体得益的多目标设计问题;并给出相应的技术步骤.以白鹤滩拱坝体型的三目标博弈设计为例,取体积目标、坝体最大主拉应力目标和坝体应变能目标为博弈方,分别采用Nash均衡模型、Stackelberg寡头模型和合作竞争模型进行博弈求解,设计结果显示拱坝的体积方量、应力、应变能和位移等较初始体型的变化改善情况,实现了各博弈模型的设计目的,表明了多目标博弈设计方法的有效性.     

拓扑优化与仿生设计在空间太阳能电站热设计中的应用

高效热设计与热控制是高功率连续微波无线传能与空间太阳电站(SSPS)领域的研究热点之一,引起了国内外同行专家的高度关注与浓厚兴趣.本文针对欧米伽空间太阳能电站(SSPS-OM EGA)的结构特点及其对热设计与热控提出的巨大挑战,基于拓扑优化与仿生的思想,提出了一种新的热设计策略与方法.首先,联合流体出口边界与流道构型,建立最小化表面平均温度和流道压力损失的优化模型,得到陀螺馈源光伏阵上背板流道最优的出口位置与最佳拓扑构型,使馈源中的热量导出效率明显提高.其次,建立了仿蝴蝶翅膀形状与结构的对自由空间辐射散热的布局与拓扑优化模型,在满足性态前提下显著提升辐射效率.再者,分析推导了非线性目标和约束函数关于设计变量的灵敏度计算公式与迭代格式.最后,将本文模型与方法应用于欧米伽空间太阳能电站热设计,得到了满意的结果.     

基于设计空间调整的结构拓扑优化方法

提出了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化方法,以求解有限元网格规模大的问题,且获得0/1拓扑解. 首先, 借鉴有理分式材料模型, 建立了材料刚度性质与拓扑变量的关系. 为了解决分析计算量大和需要解释得到的材料分布等问题,给出了一种不影响数学规划求解算法收敛特性的设计空间调整手段. 其次,当优化迭代求解接近结构最佳拓扑邻域后,采用了加速收敛求解的策略,并给出了一种加速收敛的启发式算法. 然后, 结合基于倒设计变量的位移函数的非完整二阶近似式,建立了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化算法. 该方法能获得较好0--1分布特征的优化拓扑,能较好地处理多载荷和多约束的结构拓扑优化问题. 给出的算例表明通过结构分析模型规模的减小和传统的位移迭代求解法的采用,方法效率明显提高. 算例验证了该方法的正确性和有效性.      

基于Euler方程和离散共轭方法的气动外形优化设计

对于基于梯度信息的优化设计方法,很重要的一点是快速准确获得目标函数对设计变量的梯度.本文采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为三维Euler方程.对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法求解.算例表明,该方法能快速准确地获得目标函数的梯度.本文采用该方法进行了机翼和全机优化设计,成功地减弱了激波,降低了总阻力.算例证明了本文方法可靠性好,收敛快.     

一类新型仿生起竖结构设计及其动力学分析

由于生物能够通过丰富的运动形式完成特定的任务, 仿生设计方法受到了学者们的广泛关注. 蚯蚓在各种环境中具有出色的移动能力和适应性, 受此启发, 仿蠕虫机器人被提出并应用在搜救、医疗等领域. 然而现有的仿蠕虫机器人一般通过体节的轴向变形实现直线运动, 无法实现类似蛇类生物的起竖功能. 为了解决现有的仿蠕虫机器人无法起竖的问题, 本文提出了一种具有非线性多稳态性质的仿生柔性关节, 并在此基础上构建了多节仿生起竖结构以实现类似尺蠖、蛇等生物的起竖功能. 首先, 本文提出了一种仿生起竖关节模型, 推导了多节仿生起竖结构的总势能表达式, 从而建立了多节仿生起竖结构的动力学模型; 随后, 基于多节仿生起竖结构总势能的表达式和多元函数极值原理, 提出了实现需求起竖构型的结构参数设计准则, 利用动力学模型验证了结构参数设计准则的有效性, 并研究了需求构型的触发条件; 最后, 针对不同起竖节数的设计需求, 设计了相应节数的仿生起竖结构. 研究结果表明, 结构参数设计准则能够使得多节仿生起竖结构达到需求的仿生起竖构型, 并在需求构型处保持稳定平衡; 此外, 定义了初始激励与起竖构型的比例系数单调性变量, 并基于仿生起竖结构不同稳态的吸引盆揭示了上述变量构成的构型触发准则, 这为仿生起竖结构的构型切换提供了理论依据. 本文提出的仿生起竖结构对仿蠕虫机器人的功能拓展具有参考价值和指导意义, 也是对仿生设计理论的进一步完善.      

基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略研

空间机械臂技术是未来实施在轨服务与维护任务的关键技术之一. 利用机械臂对空间非合作目标, 特别是翻滚目标的抓捕仍然存在巨大的挑战. 本文提出一种基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略方案. 在对非合作目标与空间机械臂运动学与动力学分析的基础上, 结合非合作目标被空间机械臂抓捕后的动静态对偶性分析, 构建抓捕后的力可操作度椭球作为抓捕策略设计的优化指标. 其次, 考虑目标的运动预测和空间机械臂的抓捕能力图谱构建, 确定空间机械臂应对目标的最优抓捕时机与抓捕终端状态. 基于Clamped B样条对空间机械臂各关节轨迹进行时间归一化参数描述, 并对抓捕过程中的机械臂关节角、速度、避撞、抓捕走廊等约束进行数学变换, 最终将抓捕策略转换为多约束、多目标的非线性优化问题, 利用自适应惯性权重的粒子群优化算法进行求解. 将所设计的抓捕策略应用于空间七自由度运动学冗余机械臂, 实现了对空间中翻滚目标的成功捕获, 验证了所提抓捕策略的可行性与有效性.      

基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略研究

空间机械臂技术是未来实施在轨服务与维护任务的关键技术之一.利用机械臂对空间非合作目标,特别是翻滚目标的抓捕仍然存在巨大的挑战.本文提出一种基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略方案.在对非合作目标与空间机械臂运动学与动力学分析的基础上,结合非合作目标被空间机械臂抓捕后的动静态对偶性分析,构建抓捕后的力可操作度椭球作为抓捕策略设计的优化指标.其次,考虑目标的运动预测和空间机械臂的抓捕能力图谱构建,确定空间机械臂应对目标的最优抓捕时机与抓捕终端状态.基于Clamped B样条对空间机械臂各关节轨迹进行时间归一化参数描述,并对抓捕过程中的机械臂关节角、速度、避撞、抓捕走廊等约束进行数学变换,最终将抓捕策略转换为多约束、多目标的非线性优化问题,利用自适应惯性权重的粒子群优化算法进行求解.将所设计的抓捕策略应用于空间七自由度运动学冗余机械臂,实现了对空间中翻滚目标的成功捕获,验证了所提抓捕策略的可行性与有效性.     

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将双优化设计变量转化为单优化设计变量,从而建立起预应力方钢管混凝土柱的优化设计数 学模型. 利用罚函数外点法导出了优化设计变量的迭代计算公式,并给出了获得最优解的二 重迭代法计算步骤. 算例结果分析表明,本法对解决预应力方钢管混凝土柱截面优化问题, 具有概念简单,计算方便的特点,并为此类非线性规划问题提供了较好的求解途径.     

直升机旋翼气弹动力学优化策略(Ⅱ)——多目标优化解法研究

在旋翼气弹动力学模型基础上进行了多目标优化问题的描述和分类,定义了多目标优化问题及其解,讨论了多目标优化问题的解法,提出了直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题的解法.使用改进的遗传模拟退火算法、加权系数法、全局准则法相结合的混合式解法进行旋翼气弹动力学多目标优化问题的求解.算例结果表明:使用混合法的多目标优化解法设计变量变化平缓;同时设计目标函数的3次/转、4次/转、5次/转谐波振动载荷和桨叶总质量分别比初始设计减少13.4%、31.5%、20.9%和7.36%,优化效果明显.由本文的研究可知,在直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题中,使用混合式多目标优化问题解法能使旋翼气弹动力学多目标优化收敛到Pareto最优解,同时可提高多目标优化问题解质量和结果的鲁棒性.     

基于响应面法的V带轮多目标优化设计

在设计V带轮初始阶段引入结构轻量化思想,利用PTC Creo与ANSYS Workbench无缝连接技术建立V带轮的简化三维模型和有限元模型,对其进行静力强度分析和前6阶模态分析。首先运用拓扑优化方法对V带轮进行初步轻量化设计;然后根据拓扑结果对带轮结构优化并二次设计后,以V带轮质量、最大应力、最大变形以及前六阶固有频率为目标函数,对其进行多目标函数的响应面法优化;最终,在满足带轮强度、刚度的前提下,使V带轮质量减小了44.498%,并降低了带轮结构固有频率,避免共振。结果表明:运用响应面法联合拓扑优化方法对V带轮进行优化设计可行且有效,具有较强的工程实用性。     

Three-Dimensional Shape Optimization of Arch Dams with Prescribed Shape Functions*, †

Development and application of shape optimization of double-curved arch dams are presented. A mathematical formulation of arch dam design is described, where design variables, objective function, and constraint functions are defined. The geometrical form of the arch dam and part of its load-carrying foundation are described by three-dimensional hyperelements. Design variables are identified as geometrical parameters of these hyperelements. For static analysis of the dam-foundation system, the finite element method is employed with eight node solid elements and an incompatible displacement function. Elements are automatically generated within the hyperelements in each design step. Four different load cases are considered to account for important design specifications. A complete static sensitivity analysis is performed and used in each design iteration. Partial derivatives of element stresses with respect to all design variables are computed within the finite element context. The optimization problem is solved by sequential linear programming. It is demonstrated that practical three-dimensional shape optimization is feasible and economical.     

变截面压杆稳定非线性微分方程边值问题的最优化算法研究

针对任意约束类型的变截面受压杆件的稳定临界载荷计算问题,结合非线性微分方程数值算法和最优化方法,以起点边界的初始条件、待求临界荷载和附加约束力为设计变量;以终点边值条件满足的函数关系与位型条件构建目标函数,提出变截面压杆临界载荷和稳定位型的优化求解算法。应用VB编制通用的优化计算程序,分析了典型算例;通过对比发现,本文以较少设计变量实现了临界载荷的高精度计算,为工程应用提供参考。     

考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法

理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求.提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求.使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降...     

二级多点近似方法在整星结构优化设计中的应用

以整星结构为研究对象,针对含有离散变量的混合变量优化问题,应用二级多点近似方法给出从卫星拓扑布局设计到尺寸的一体化优化求解过程。首先,对整星结构进行仿真和振动试验,设计满足总体指标要求且已得到在轨验证。其次,建立以极小化卫星质量为目标的多工况优化模型后利用分段多点逼近函数建立了显式近似问题。最后,采用遗传算法和变尺度法分别对离散/连续两类变量寻优,并以拓扑构型一致性和目标函数的下降程度作为收敛的判定依据。结果显示,在满足频率和静力的约束下,卫星质量降低了7.9%,且结构分析迭代次数仅为50~60次,从而验证了该方法在求解整星结构多变量多工况下的一体化设计问题时具有很高的计算效率和准确性。     

Optimal placement of piezoelectric active bars in vibration control by topological optimization

A continuous variable optimization method and a topological optimization method are proposed for the vibration control of piezoelectric truss structures by means of the optimal placements of active bars. In this optimization model, a zero-one discrete variable is defined in order to solve the optimal placement of piezoelectric active bars. At the same time, the feedback gains are also optimized as continuous design variables. A two-phase procedure is proposed to solve the optimization problem. The sequential linear programming algorithm is used to solve optimization problem and the sensitivity analysis is carried out for objective and constraint functions to make linear approximations. On the basis of the Newmark time integration of structural transient dynamic responses, a new sensitivity analysis method is developed in this paper for the vibration control problem of piezoelectric truss structures with respect to various kinds of design variables. Numerical examples are given in the paper to demonstrate the effectiveness of the methods.     

跨音速翼型和机翼的气动优化设计

以NACA0012翼型和ONERA－M6机翼为基准,分别把可变误差多面体法（VEP）和遗传算法（GA）两种不同的优化方法与求解二维和三维欧拉方程的气动分析相结合,进行跨音速翼型和机翼的气动优化设计,并在其基础上对两种不同性质的优化方法在气动优化设计应用中的优化质量和计算效率进行比较,在优化设计的过程中,翼型通过解析函数线性叠加法来表示,机翼通过不变的翼型和可变的平面形状来表示,二维和三维欧拉方程采用Jamenson提出的有限体积方案,显式四步RungeKutta时间推进求解。     

Self-Organization in Leadership Emergence

The dynamics associated with emergent leadership in creative problems solving groups were examined. Contrary to common measurement practice, the frequency distribution of leadership behavior in group was hypothesized to conform to a multimodal exponential probability density function, which was thought to characterize self-organizational processess of the rugged landscape variety. Participants were 140 adults, who were organized into groups of 7-9 players for a group problem solving exercise that began without an appointed leader. Ratings of leadership behavior by each player for each fellow player revealed that clear leaders did emerge, reflecting a form of self-organization within the group. Analysis showed that the obtained frequency distribution was a complex function generated by a swallowtail catastrophe dynamic.     

离散变量结构形状优化设计的综合算法

提出一种离散变量结构形状优化设计的方法,该方法在优化过程中将两类变量统一考虑,根据两类变量的相对差商值确定搜索的变量;并且对形状变量施加了运动极限的限制,从而保证了收敛速度快,收敛平稳;将该算法应用于几个经典的结构优化算例：运算结果显示了该方法计算效率高,优化效果也比较满意．     

Two‐objective optimization strategies using the adjoint method and game theory in inverse natural convection problems

This paper considers the problem of estimating the strengths of two time‐varying heat sources simultaneously, from measurements of the temperature inside the square domain in a porous medium, when prior knowledge of the source functions is not available. This problem is an inverse natural convection problem. In order to circumvent this problem, we define several optimization criteria (objective functionals) that measure discrepancies between model and measured data, where objective functionals depend on two heat sources and use multi‐criteria optimization to identify Nash equilibria, which are solutions to the non‐cooperative game according to game theory. Two non‐cooperative game strategies are considered: competitive (Nash) game and hierarchical (modified Stackelberg) game. The methodology that we employ relies on a combination of mixed finite element space approximations, finite difference time discretizations, adjoint equation and sensitivity equation techniques, and nonlinear conjugate gradient algorithms for the solutions of estimating two heat sources. Applying the Sobolev gradient for the noise removal is investigated. The performance of the present technique of inverse analysis is evaluated, by means of several numerical experiments, and is found to be very accurate as well as efficient. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

拉延成形多目标序列响应面法优化设计方法

为了克服常规响应面法在整个设计空间进行逼近导致精度低和传统的单目标优化设计,只能针对其中的一个目标进行优化的缺陷,提出了一种多目标序列响应面法,优化设计拉延筋几何参数的方法. 该方法通过移动、缩放等方式在设计空间中不断更新兴趣域,在不同的兴趣域中将实验设计、响应面法和多目标粒子群优化算法相结合,获得了一组最小化起皱、拉裂缺陷的等效拉延阻力非劣解. 利用最小距离选解法从非劣解集中挑选出一组成形效果最好的解, 并以此解作为下一迭代步兴趣域的中心,直到收敛至一组最优的等效拉延约束阻力. 以最优等效拉延阻力为约束条件,利用等效拉延筋阻力模型结合遗传算法对拉延筋的真实几何参数进行设计. 优化设计的拉延筋几何参数提高了板料的成形性能. 算例表明,该方法具有较高的精度和较强的工程实用性.