节点拓扑变量非耦合映射的ICM方法

文章提出了节点拓扑变量一种非耦合映射的ICM方法,对于结构拓扑优化问题予以建模和求解:首先将基结构划分为由较小单元组成的网格,取节点独立、连续的拓扑变量,建立了一种双线性形函数插值的变量非耦合映射,替代了单元独立连续拓扑变量,使单元的“有”或“无”连续化近似,实现了节点拓扑变量过滤识别与物理量的单元内插值,推导建立了节点拓扑设计变量的优化模型,采用基于变量可分离的二阶对偶规划算法求解,并且改进了最优拓扑构型的圆整技术.接着以常见的位移约束下结构重量(或体积)极小拓扑优化问题为例,演示了上述建模及求解过程.最后分别给出了单载荷工况和多载荷工况下的位移约束拓扑优化的算例,数值计算结果验证了本方法的有效性.研究有如下优点:克服了以往基于单元拓扑变量研究的缺陷,即最优结构边界为锯齿形,得到的最优结构的拓扑边界光滑清晰;给出了节点拓扑变量和单元拓扑函数场定义,提炼出构造该场必须遵循的5点准则,克服了节点拓扑ICM方法有关研究中存在的不足;得到节点设计变量不再是耦合关系,可以方便地求出结构物理量的二阶导数,从而利用变量可分离对偶优化算法进行高效的寻优;研究成果不仅丰富了ICM方法的内涵,推动了其发展,而且对变密度的节点拓扑方法也有参考的裨益.

InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型在排水体系中点源污染溯源研究

城市排水的点源污染是引起黑臭水体的重要原因之一,该研究借助多元监测体系获得的水质数据,结合InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型及差分进化算法(DE)构建了污染溯源模型。以中山市某区域为研究对象,验证了耦合模型与DE算法对污染溯源的有效性。研究表明,连续排放污染源的位置、流量、污染物浓度的溯源精度较高,相对误差均在±0.12的范围内,并且污染溯源精度随着污染源流量增大而下降;随着污染流量增大,瞬时排放污染流量与浓度溯源的相对误差逐渐减小,模型对高流量污染事件的溯源精度较高。该模型体系的构建和应用为城市排水点源污染的溯源提供了科学指导。

基于InfoWorks ICM软件的新堆场形式集装箱港区排水模型测试

为进一步分析论证港区的排涝能力,以广州某大型集装箱港区为例,采用InfoWorks ICM软件构建港区排水模型,通过模拟不同重现期的降雨过程,分析不同堆场形式下港区溢流节点数、出现最深积水时间、最大积水深度等指标,论证普通集装箱堆场与新型下凹式集装箱堆场的抗洪涝风险能力。结果表明,采用新型下凹式集装箱堆场后,港区的抗洪涝风险能力明显提高,下凹式堆场表现出明显的调蓄作用。

基于InfoWorks ICM模型的城市小区LID组合方案成本效益研究

针对低影响开发(LID)雨水系统建设中存在成本与效益难以平衡的问题,选取甘肃省天水市某居住小区为研究对象,构建InfoWorks ICM一、二维耦合模型,以不同LID组合方案在不同降雨重现期下的径流总量控制率、径流峰值削减率、积水面积削减率、积水量削减率、固体悬浮物(SS)削减率、化学需氧量(COD)削减率为效益表征量,结合LID设施的生命周期成本定量分析成本效益。结果表明:包含绿色屋顶的LID组合方案成本效益偏低,但对于高重现期降雨具有较强的适应能力,更适用于暴雨频发地区;LID组合方案对于积水面积削减率与积水量削减率的成本效益较高,能有效缓解内涝积水,对于COD削减率的成本效益较低,需进一步优化;雨水桶+生物滞留设施+透水铺装作为总成本效益最高的方案,更适用于研究区域LID雨水系统的建设。研究成果对LID雨水系统的优化设计具有重要参考意义。

基于InfoWorks ICM的内涝风险评估与分析

基于InfoWorks ICM构建1D、2D耦合的浙江省某新区内涝排水模型,根据模拟得出的研究区管网负荷状态、地面积水深度、地面积水时间等,分析和评价研究区管网排水能力和内涝风险情况。研究区现状管网系统的排水能力尚未达到3年一遇的排水设计标准,管网排水能力大部分在0.5年一遇之下。且在20年一遇设计暴雨下存在内涝高风险区,内涝风险区主要发生在下垫面硬质化较为严重、地势较低、管网缺失和管径较小的区域。建议完善研究区空白区排水管网系统,并对未达到设计标准的管网进行改造。

基于InfoWorks ICM的北京市西城区排涝能力分析

为评估北京市西城区行洪排涝能力,基于InfoWorks ICM构建了北京市西城区精细化防洪排涝模型,洪峰流量和洪水总量的模拟误差范围分别为−16.7%~19.1%和−13.2%~6.9%.分析了不同降雨历时和雨型情景下,区域的管道排水能力、河道行洪能力,诊断了内涝原因.结果表明:西城区管网不足1 a一遇的管线长度占比为41%,排水能力较差;西护城河下游100 a一遇的最高水位距河岸约0.681 m,存在安全隐患;北护城河上游100 a一遇的最高水位距河岸约0.60 m,超过该河段警戒水位;100 a一遇长历时(24 h)暴雨情景下西城区城市内涝积水最大深度为1.710 m.通过研究,明确了西城区防洪排涝隐患主要集中于老旧平房、老旧楼房、棚户及混合等区,需要重点防范.研究结果可为西城区积水和内涝治理及管道提标改造提供数据支撑;结合地下空间分布及积水点位,可为西城区平急两用内涝蓄滞空间应急利用方案编制提供依据.

基于Infoworks ICM模型的邢台市城市内涝灾害风险评估

充分考虑邢台市地形特征和防汛排涝工作的需求,基于Infoworks ICM模型构建了邢台市中心城区城市内涝淹没模型,并利用典型降雨个例对模型进行参数率定与验证.在此基础上,模拟2,5,10,30,50 a一遇1 h降雨工况下邢台城区内涝积水情况,结合积水深度和积水时间进行内涝灾害风险评估研究.结果表明:不同重现期的积水淹没区间均主要集中在0.1~0.3 m,淹没面积平均占比达到65%;在不同重现期降雨情况下,风险面积占比最大的均为低风险区,其次是中风险区和高风险区,平均面积占比依次为65%,23%和12%;随着降雨强度的增大,低风险区面积占比逐渐减小,而中、高风险区面积占比逐渐增大.

基于Infoworks ICM模型的城市管网排水能力与内涝风险评估

使用Infoworks ICM模型建立了六安市2个雨水分区的排水管网模型,选取了2场实测降水数据对模型进行率定验证,结果表明模型精度较高。通过设计6种不同重现期降雨事件,对研究区的管网排水能力和城市内涝风险进行评估,结果表明:随着暴雨强度增加,雨水管网超负荷比例不断增大,相比于1年一遇的情景20年一遇的情景超负荷管道占比增加了30.81%;同时,城市内涝淹没深度和淹没面积增加,相比于10年一遇的情景20年一遇的情景淹没面积增加65.03 hm^(2),进一步分析是由于雨水管径较小、河水顶托及区域地势低洼的影响。对城市雨水管网排水能力及城市内涝风险进行评估,可在城市雨水管网建设及改造过程中提出针对性建议。

连续体结构拓扑优化应力约束凝聚化的ICM方法

为克服应力约束下拓扑优化问题约束数目多、应力敏度计算量大的困难,提出了应力约束化凝聚化的ICM方法．在利用Mises强度理论将应力约束转换成应变能约束后,提出了应力约束凝聚化的两条途径:其一为应力全局化的方法,其二为应力约束集成化的方法．由此建立了多工况下以重量为目标、以凝聚化应变能为约束的连续体结构优化模型,并利用对偶理论对优化模型进行了求解．4个数值算例表明:该方法具有较高的计算效率,得到的拓扑结构比较合理,不仅适用于二维连续体结构,也适用于三维连续体结构．

基于InfoWorks ICM模型的城市暴雨内涝模拟

为解决城市暴雨内涝灾害问题,以海口市主城区为例,构建了基于InfoWorks ICM的城市综合流域排水模型,选用3场实测暴雨进行模拟分析,发现该模型具有良好的精度和可靠性。在此基础上,利用该模型对1、2、5、10、20年五种不同设计重现期的暴雨情景下研究区域排水管网系统的排水能力和积水深度进行模拟。结果表明,该模型能较好地评估研究区域的排水能力,且随设计暴雨重现期增加,研究区域的积水深度亦呈现出增加趋势,内涝灾害明显加重。

应力约束全局化处理的连续体结构ICM拓扑优化方法

由于应力约束按单元计,加之多工况,使得连续体结构拓扑优化由于约束数目太多,导致应力敏度分析计算量太大而无法接受。基于第四强度理论提出了应力约束条件全局化处理的方法,化为全局替代约束——总应变能约束,用ICM方法对总应变能约束条件下的连续体结构拓扑优化进行建模及求解,其过程分为三步:第一步选择最大应变能对应的工况,在给定重量下求出最小结构总应变能;第二步提出一个数值经验公式,借助第一步的结果,计算出各工况下的许用总应变能;第三步以第二步计算出来的各工况的许用总应变能作为约束,以重量为目标建立模型并求解。顺便指出,第二步的处理方法可以处理载荷相差特别大的情况,即病态载荷情况。数值算例表明:全局性应力约束可以更好地得到传力路径,对于处理多工况问题具有优势。

结构拓扑优化ICM方法的改善

对结构拓扑优化的ICM(独立、连续、映射)方法进行了深入探讨,通过选取不同的过滤函数可以不进行每步删除而得到清晰的拓扑图形.以位移约束为例阐述了ICM方法建模及求解过程.对位移约束、频率约束、位移及频率约束、简谐载荷激励下动位移幅值约束等拓扑优化进行了研究,计算算例表明ICIM方法在处理静力问题及动力问题的拓扑优化都是可行的.程序算法都在MSC.Nastran及MSC.Patran的二次开发环境下实现,与原软件有机结合在一起.

连续体结构拓扑优化的高精度逼近ICM方法

采用指数类函数为快滤函数的高精度逼近ICM(independent continuous and mapping)方法,建立了以结构重量为目标,应力和位移共同约束下的连续体结构拓扑优化模型.利用结构畸变比能的方法全局化应力约束,单位虚载荷法显式化位移约束,归一化约束以解决约束限数量级不一致的问题.针对不同性态的过滤函数,给出了指数类快滤函数参数的取值方法.单工况和多工况的算例表明了高精度逼近的ICM方法处理多种约束下连续体结构拓扑优化的可行性与有效性.

连续体结构屈曲约束的ICM方法拓扑优化

基于ICM(独立、连续、映射)方法解决具有屈曲约束的连续体拓扑优化问题。建立以结构重量为目标,以屈曲临界力为约束的拓扑优化模型;采用独立的连续拓扑变量,借助泰勒展式将目标函数作二阶近似展开;借助瑞利商、泰勒展式、过滤函数将约束化为近似显函数,避免了灵敏度的计算;将优化模型转化为对偶规划,并利用序列二次规划求解,减少了设计变量的数目,缩小了模型的求解规模。给出三个算例,结果表明:该方法可有效地解决屈曲约束的连续体拓扑优化问题,能够得到合理的拓扑结构,并有较高的计算效率。

芦荟凝胶对大鼠Ⅱ度放射性皮炎发生中ICM-1和EGF的影响

目的在分子水平探讨芦荟凝胶抑制大鼠Ⅱ度放射性皮炎发生的机制。方法首先建立SD大鼠裸露背部10%Ⅱ度放射性皮炎模型,随机分成两组,对照组为自然愈合组,实验组为芦荟外涂组,实验组每天进行鲜芦荟凝胶对辐射伤口区的外涂,每天2次。辐射伤后2、6、10、18和24d各活杀大鼠10只,每组各5只。采用免疫组织化学方法并利用图像分析技术,分别记录创面发生率及伤口局部ICAM-1、EGF的表达量。结果实验组ICAM-1的表达总体均数低于对照组的表达,差异有显著性,以早期明显。实验组EGF的表达总体均数高于对照组的表达,差异有显著意义,以中期明显。实验组创面发生率较对照组低。两组间差异有显著性。结论芦荟凝胶对大鼠Ⅱ度放射性皮炎的发生有抑制作用,机制与ICAM-1分泌的抑制及EGF分泌的促进相关。

基于ICM的精密指针式仪表自动读数方法

针对精密指针式仪表自动读数算法自适应性较差的问题,提出一种基于ICM的精密指针式仪表自动读数方法。该方法基于二值化后仪表图像的噪声信息分布特性,利用ICM点火时序矩阵在图像相邻像素间的并行递进关系,研究和实现图像的腐蚀和膨胀,并设计加权最大类间方差法自适应地计算迭代次数,消除刻度周边噪声,提取到刻度圆弧所在位置。最后根据圆弧极径、极角等信息对刻度区域做极坐标变换输出图像,采用距离法对极坐标变换后图像进行读数判读。实验表明,自动读数结果与实际数值相比误差均小于0.2%,算法稳定可靠。

考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化ICM方法

本文瞄准连续体在破损-安全考虑下的结构拓扑优化问题,旨在克服传统模型求解所得最终构型存在的弊病,避免结构因缺乏合理的冗余结构而敏感于局部破坏,实现破损-安全的目标.首先,梳理了以往虽然用到却并不明晰的4个概念:结构局部破损模式、结构局部破损区域、结构破损状况、结构破损状况的预估分布.之后,基于独立连续映射(ICM)方法,对该问题建立了力学性能约束下结构体积极小化的模型.建立目标函数时,利用Minimax的概念将可能出现的结构破损状况对应的所有结构体积目标转化为原结构的唯一结构体积目标,克服了多目标问题的困难.建立近似约束函数时,将可能出现的所有结构破损状况对应的力学性能的约束皆考虑进去,既能处理载荷单工况也能处理载荷多工况.最后,以位移约束为例,建立了优化模型并求解.单工况及多工况位移约束拓扑优化算例验证了算法的有效性.结果表明:本方法相比于不考虑破损-安全的拓扑优化设计,得到的最优拓扑更复杂,体积比更大即所用材料更多,亦即最优结构具有更多的冗余,此正是考虑破损-安全设计原则的结果.本文的研究对于航空、航天、其他水、陆等领域运载工具以及其他工程结构在意外破坏、战争创伤或恐怖袭击下的结构设计,乃是非常重要的进展.

基于InfoWorks ICM模型的地铁场站内涝积水防控研究

选择郭公庄和宋家庄地铁场站为研究对象,采用InfoWorks ICM模型软件构建洪涝模型并开展内涝积水模拟分析.模拟结果表明:100a一遇长历时(24h)暴雨情景下郭公庄地铁场站最大积水深度为0.922m,宋家庄为0.607m;在重现期达50a一遇时宋家庄所有管网即达到满流状态.分析结果表明:郭公庄内涝积水主要是由于下游水位顶托;而宋家庄主要是由于管网排水能力不足.本研究基于模拟结果提出了内涝积水防控措施,经海绵城市改造措施后,10a一遇短历时(1h)暴雨情景下宋家庄地铁场站出水口洪峰相对未改造情景削减了22.2%;经管网改造后,1a一遇长历时(24h)暴雨情景下宋家庄内涝积水削减率为100.0%;郭公庄3台排水泵全运行状态下,郭公庄总积水量相对无泵情景削减了29.5%.

连续体结构考虑离散性目标的ICM方法

为了使求解位移和应力约束下重量最轻的连续体结构拓扑优化问题的ICM(独立连续映射)方法得到更清晰的拓扑形式,引入拓扑变量离散性条件作为目标之一,与原目标组成多目标规划模型,使拓扑变量向0或1两端靠近,减小了删除率对结果的影响;用图形处理方法消除了棋盘格现象及网格依赖性;通过初选准有效约束及选择设计区域等,提高了求解效率。算例表明:改进后的算法虽然迭代次数比原算法略多,但更稳键,更实用。

基于ICM方法三维连续体结构拓扑优化

基于ICM方法,建立了在应力和位移约束下以重量为目标的多工况下的三维连续体结构拓扑优化模型.利用von Mises强度理论,提出了应力全局化的方法,从而将局部的应力约束转化为全局的应变能约束问题,减少了约束数目,避免了敏度分析的困难;利用单位虚载荷法,将位移约束表示为设计变量的显式关系.为减小由于不同物理量在数量级上相差太大引起数值计算的误差,将应变能约束和位移约束进行无量纲化,由此建立了包含两类约束的无量纲化的优化模型.同时处理了多工况下的最佳传力路径的问题.利用对偶规划理论对模型进行了求解.另外,利用PCL语言在MSC/Patran的开发平台上实现了该文算法.数值算例表明了该方法的可行性和有效性.