钻井现场硫化氢气体监测系统设计

针对油田钻井开采过程中经常产生硫化氢气体的情况,设计了一套硫化氢气体监测系统,实现了对钻井现场硫化氢气体浓度的在线监测及数据的远程传输。本监测系统以STM32单片机为核心,使用半导体式可燃气体传感器,利用ESP8266无线通信模块,通过MQTT协议实现现场监测系统与管理端云平台的数据交互,达到数据远程传输和远程管理的目的。实验表明,该系统可以实现硫化氢气体浓度的远程实时监测、定期自检等功能,能够及时发现并解决问题,显著增强油田工作现场的安全性,具有较好的市场推广价值。

稳定性约束的FDM成形零件建造方向优化设计

增材制造(3D打印)零件的建造方向对制造成本、表面质量、建造稳定性等指标有着重要影响。以绕打印平台坐标轴旋转的3个角度描述建造方向,建立了以台阶效应引起的体积误差表征表面质量、以支撑材料体积和零件打印分层数描述制造成本的多目标优化模型,采用多目标进化算法(MOEA/D)分别实现了基于FDM工艺的两种不同复杂程度零件的建造方向优化。针对优化解集中的零件建造方向存在不稳定、数量偏少且分布离散问题,提出一种基于自支撑表面悬空体积的稳定系数指标来量化建造方向的稳定程度。结合对目标函数的连续性改进,重新建立了考虑建造方向稳定性的多目标优化模型并进行有效求解。优化结果表明,改进目标函数的连续性能获得更多优化解,定义的稳定系数指标能有效量化零件建造方向的稳定程度;当稳定系数小于稳定性阈值0.6时,两种零件优化获得的建造方向均能满足零件建造方向的稳定性要求。

蜂窝夹芯圆环的拓扑优化设计及尺度效应研究

采用尺度关联的一体化设计方法开展了旋转周期圆环结构的拓扑优化设计研究,以宏观结构的最大刚度为目标,研究了材料表征体胞尺度、构型以及不同载荷作用形式对蜂窝夹芯圆环结构优化结果的影响.所提出的无量纲结构构型因子实现了优化结构的结构效率量化评估.结合SIMP材料模型和周长控制方法,实现了宏观结构和细观表征体胞的优化设计,获得清晰的材料分布.数值算例表明,尺度关联的一体化设计方法能有效地完成圆环结构的拓扑优化设计,设计结果充分反映体胞尺度效应对旋转周期圆环结构夹芯构型的影响.

多相材料微结构多目标拓扑优化设计

在采用多尺度均匀化方法求解微结构等效特性的基础上,提出了多相材料微结构的多目标优化设计模型．以组分材料用量为约束,采用周长控制消除棋盘格,结合有限元方法和对偶凸规划求解技术,对两相和三相材料微结构多项等效模量的组合进行了优化设计．研究比较了微结构网格粗细、材料组分以及三相材料微结构优化中的两相实体材料弹性模量相对比例不同对优化结果的影响．数值算例验证了优化模型和优化算法的有效性,表明了相关因素对优化结果的影响．

轻质材料与结构的一体化设计

针对多孔材料微结构构型的可设计性,基于材料多尺度均匀化计算理论,提出以宏观结构最大刚度为目标,材料微结构构型为变量的材料与结构一体化设计新方法,实现了材料宏观布局设计与材料微结构精细设计的统一。采用凸规划对偶优化求解技术与二次型周长约束格式相结合的途径,实现了快速求解与材料分布棋盘格效应的控制。数值计算结果表明,在材料用量一定的情况下,本方法能有效地实现蜂窝结构及夹层结构的拓扑优化设计,为满足极端环境下航空航天结构的设计需求提供了新的设计思想。

多相材料结构拓扑优化的周长控制方法研究

针对多相材料结构的拓扑优化出现的棋盘格问题,研究了周长约束控制方法。根据多相材料组分情况下结构有限单元密度变量的定义特点,拓展了周长约束的原始定义概念并提出了相应的4种周长控制约束新格式。以结构最大刚度优化设计问题为例,结合凸规划对偶求解方法验证了4种格式的有效性。计算结果表明:独立控制各类变量周长的方式能更有效地实现多相材料结构的拓扑优化设计,获得消除棋盘格和中间变量值的清晰结果。

γ-氨基丁酸对LPS介导的机体炎性反应影响的研究进展

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)是哺乳动物体内一种重要的神经性抑制递质,主要分布在中枢神经系统,具有广泛的调控功能。GABA可通过下丘脑-垂体-肾上腺皮质(HPA)轴参与机体稳态的调节,并对外界有害刺激引起的机体炎性反应具有一定的缓解作用。机体在外界应激条件刺激下会引起血液中脂多糖(LPS)含量的升高并激活Toll样受体-4(TLR4)/NF-κB信号通路,引起肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-8(IL-8)等的表达增多,最终导致机体产生炎症反应。GABA可在机体发生炎症反应时,通过调节相应炎性因子的表达来降低炎症反应对机体造成的损伤。作者通过对GABA生理学功能与受体类别及GABA在机体发生炎性反应时的作用进行综述,对GABA在机体发生炎性反应时的影响及其与LPS引起的机体炎性反应之间的关系进行分析,为临床上采用GABA治疗机体炎性反应提供理论依据。

基于改进模拟退火算法的复合材料层合板屈曲优化

针对复合材料层合板的屈曲优化问题,提出一种改进的直接搜索模拟退火算法来求解最大化临界屈曲载荷系数的铺层顺序设计问题。改进算法引入搜索范围动态调整的新点产生方式实现全局搜索和局部搜索的协调,提高了算法的计算稳定性和计算效率。以离散铺层角为设计变量,采用里兹法进行屈曲响应分析以考虑弯扭耦合影响,通过典型多极值屈曲优化问题分析比较了算法改进措施的有效性。不同角度增量、铺层数、长宽比和载荷比的层合板屈曲优化结果表明,改进算法能有效地进行层合板铺层顺序优化。

直接搜索模拟退火算法的自适应改进

针对直接搜索模拟退火算法求解高维优化问题存在稳定性差、收敛成功率低现象,提出一种自适应的直接搜索模拟退火算法。该算法通过构造基于迭代温度动态调整搜索范围的新点产生方式和自适应寻优模块,增强了算法跳出局部极值和加快邻域搜索的能力,利用柯西分布状态发生函数的大范围遍历特点,弥补了直接搜索模拟退火算法求解高维多峰值问题易陷入局部解和计算效率低的不足。结合可行规则法处理约束问题,典型高维函数和工程优化设计实例的测试结果表明,该算法能够有效求解高维优化问题,整体性能较直接搜索模拟退火算法有显著提高。

热弹性结构的拓扑优化设计

针对热弹性连续体拓扑优化存在的中间密度问题,以骨架式结构为研究出发点,分析了热、力耦合场作用下的结构拓扑构型设计,对比了SIMP和RAMP两种材料惩罚模型对消除中间密度值的应用效果,阐述了在相同惩罚模型下,拓扑优化解对热、力两类载荷相对大小的依赖性。在此基础上,提出以不同惩罚模型应对两类载荷的处理方法,通过骨架式结构和连续体结构数值算例,验证了该方法的可行性和有效性。

基于泥浆体积排代法计算油气上窜速度研究

现场录井之中,准确计算油气上窜速度对安全钻井、油气层的保护和后期的测试、油气产能评价等意义重大。根据油气上窜速度可以对储层的特性和产能进行定性评价、合理调整钻井液密度,既能保护油气层不被压死,又能使钻井工程安全的施工。为此,提出了一种计算油气上窜速度的方法,该方法同时考虑了井深结构和钻具结构等影响环空体积的因素。现场作业表明,该方法是可行的。

RS-485串行总线在电梯控制系统中的应用

介绍了RS-485串行通信总线的特点及其在单台电梯控制和群控电梯中的应用,叙述了电梯轿厢信号、厅门信号的登记、显示与消号的工作原理,阐述了RS-485串行通信的硬件设计方法和软件设计思路。

蜂窝体胞尺寸对夹芯板性能的影响研究

研究了周期性夹芯蜂窝体胞尺寸对夹芯板刚度性能、一阶频率的影响规律。以夹芯均匀化等效的夹芯板模型为基准,定义无量纲尺寸影响因子,描述不同蜂窝尺寸夹芯板性能相对均匀化等效模型基准值的变化趋势,量化蜂窝尺寸的影响程度。采用有限元数值方法,开展了不同尺寸、不同构型以及不同边界条件下蜂窝夹芯板性能的比较分析。计算结果表明:夹芯板的刚度性能与频率具有尺寸效应,当夹芯尺寸与蜂窝尺寸比值大于12,蜂窝尺寸的影响程度趋于平缓减弱,当蜂窝尺寸与夹芯尺寸相当时,蜂窝尺寸的影响非常明显,其影响程度与边界条件及蜂窝构型显著相关。

电动轮自卸车车厢结构有限元建模与分析

通过测绘建立电动轮自卸车车厢结构的三维实体模型,采用壳单元、焊接单元和实体单元实现车厢结构的有限元网格划分,在归纳车厢工作载荷特征的基础上,建立了车厢结构有限元模型。针对典型载荷工况对车厢结构进行了有限元分析,获得了车厢结构的应力场和位移场分布,计算结果符合车厢使用损坏情况,对车厢的结构改进与制造维修具有指导意义。

丝束变角度层合板频率性能的参数化分析与优化

为有效设计丝束变角度(VAT)层合板的频率性能,首先基于纤维方向角的线性变化定义建立了VAT层合板参数化有限元模型,开展了VAT层合板频率性能的参数化研究;其次,基于纤维轨迹的周期性特征,对比分析了VAT层合板不同长宽比和厚度对频率性能的影响;最后,结合序列响应面方法,完成了不同边界下最优化VAT层合板频率特性的纤维轨迹参数设计。计算结果表明,VAT层合板的一阶频率基本不受纤维参考方向角影响,而优化纤维参考方向角能有效提高一二阶频率带隙;特征长度对频率特性的影响随长宽比增大而衰减;越薄的VAT层合板其频率特性受纤维轨迹的影响越大。研究结果为VAT层合板的频率性能设计提供了参考。

双足反向型直线超声电机的优化设计及性能仿真

为实现成对微部件反向同步动作的精密定位,设计了一种双足反向型直线超声电机。该电机以矩形板面内一阶纵振和二阶弯振模态为工作模态,通过三角形结构将激励振动放大并在驱动足位置形成椭圆运动,从而驱动两滑条实现反向直线输出。基于工作频率一致性要求进行了电机结构优化,采用谐响应分析验证了设计的可行性。建立定子滑条刚柔接触有限元模型,实现了电机输出性能的仿真。仿真结果说明该电机具有较好的稳定性,空载速度和输出推力分别达到120mm/s和30N。

应用扰动广义微分求积法的复合材料层合板剪切屈曲分析与优化

广义微分求积(GDQ)法求解复合材料层合板剪切屈曲时存在计算精度差、计算振荡不收敛问题,研究发现该现象源于载荷矩阵存在奇异,为此,提出扰动GDQ法,通过扰动主对角线权重系数以改善载荷矩阵的奇异性来消除计算振荡。数值算例验证了扰动策略的有效性,实现复合材料层合板剪切屈曲问题的高效稳定求解。在此基础上,结合直接搜索模拟退火算法,开展了含剪切载荷的复合材料层合板铺层顺序优化。结果表明:剪切工况时对称复合材料层合板的优化铺层不受铺层数和铺设形式影响,优化铺层角随长宽比增大而趋于60°;而剪切与轴压组合工况下较小的剪切力能改善层合板屈曲性能,随着剪切力的增大,优化屈曲性能逐渐降低,优化铺层趋同于剪切工况。研究结果为复合材料层合板的剪切屈曲性能设计提供了参考。

多相材料格栅加筋板性能的参数化分析

采用参数化建模和有限元方法,以三种典型格栅加筋板为对象,分析了给定质量下,蒙皮与加筋分别采用不同材料、不同几何参数对结构刚度性能的影响规律。研究表明:蒙皮厚度变化会影响与之最佳匹配的加筋构型;增大加筋高度能有效提高结构刚度性能,但过大的加筋高度对结构性能的改进有限;采用比刚度大的材料可以显著增强结构性能,加筋高度一定时,蒙皮选用比刚度大密度小的材料有利于提升结构性能,而加筋厚度一定时,加筋选用比刚度大密度小的材料将降低蒙皮材料的选用对结构性能的影响。

周期狭长结构拼装模块尺寸效应与构型优化

针对狭长结构拓扑优化过程中存在的计算困难、有中间密度存在和优化构型复杂等问题,提出周期模块拼装方法,并建立混合梁单元模块有限元模型,开展了狭长结构的拓扑优化设计。以承受均布压力载荷的悬臂狭长结构为例,分析比较了不同模块数、不同材料用量以及不同截面梁对优化结果的影响。计算结果显示,采用周期模块拼装策略能获得规则简单易制造的优化构型,周期狭长结构具有尺寸效应且存在最佳模块尺寸来最大化拼装结构刚度。将混合梁单元模型的模块尺寸与拓扑协同优化结合,获得了清晰规则的类桁架构型。最后应用所提方法实现了周期狭长梯形结构的构型优化。

开孔圆柱壳屈曲优化的均匀设计序列响应面方法

为了减少优化中原模型的分析次数,提高优化效率,提出一种序列二次响应面近似优化方法.该方法基于均匀设计建立一个由低精度的全局响应面和精度逐渐提高的局部响应面组成的近似模型,其中,全局响应面用于确定初始子区域,而局部响应面获得问题在子区域内的优化解;采用基于归一化优化解相对位置的运动极限新准则更新子区域,通过子区域内样本点的继承和增补构造响应面并求解,重复迭代过程,实现问题的优化求解.最后通过5组典型测试函数和一个工程设计问题的优化求解验证了文中方法的有效性——可以高效率地完成开孔圆柱壳最大屈曲载荷的优化设计,展现出求解高计算成本工程优化问题的良好应用前景.