应力驱动的2.5D梯度各向异性维诺多孔零件轻量化建模方法

为了提高多孔零件的设计自由度、内部力学性能梯度与实际应力分布的匹配度,提出一种应力驱动的2.5D梯度各向异性维诺多孔零件轻量化设计方法。将零件有限元分析结果分解为应力标量场和应力方向场,通过加权随机采样算法将应力标量场映射为零件设计域内的维诺站点分布,实现零件内部力学性能的梯度分布;将应力方向场映射为二维黎曼流形,提出一种基于胞元择优方向生长策略的各向异性维诺图生成算法,生成胞元沿黎曼流形分布的各向异性维诺图。在此基础上,通过偏置算法、调和距离场和拉伸算法生成光滑的梯度各向异性维诺多孔零件。最后,采用有限元分析、三点弯曲实验等方法将所设计的多孔零件和其他多孔零件进行比较分析。实验结果表明,所提出的梯度各向异性维诺多孔零件建模方法能有效提升零件内部力学性能梯度与实际应力分布的匹配度,降低材料消耗,实现轻量化设计。

Voronoi-RBSM耦合的混凝土细观建模方法研究

为解决已有混凝土细观数值模拟方法计算效率低、对象尺寸受限的问题,提出一种基于Voronoi网格拓扑和刚体弹簧模型(RBSM)的混凝土细观建模新思路。该模型将混凝土视为由骨料、水泥砂浆组成的二相材料,骨料通过Voronoi单胞描述,视为刚性体,水泥砂浆简化为Voronoi单胞交界面的均布弹簧,弹簧刚度依据局部砂浆的实际情况自动定义。无需对骨料和水泥砂浆进行网格细化,可大大减少单元数量,允许Voronoi单胞在界面处侵入和分离,描述混凝土的变形、开裂等。为验证该文模型的有效性和适用性,开展了室内试验与数值模拟的对比研究,并分析了骨料占比等参数的敏感性。结果表明:基于Voronoi-RBSM的混凝土细观模型,可以较为高效、准确预测混凝土构件在加载过程中细观力学响应,对于尺寸较小的混凝土试件、尺寸较大钢筋混凝土简支梁均有较好的细观模拟效果,尤其是当网格尺寸与骨料平均粒径接近时,预测结果与试验结果最为接近。此外,模型的预测精度受骨料体积占比影响,骨料体积占比越小精度越低,因此,并不适用于浆体占比高的混凝土材料细观数值模拟。

非连通空间对象方向关系表达与推理

为了弥补现有的二维空间对象方向关系表达模型大都利用点、最小外包矩形等近似地代替空间对象,距离真实空间对象间方向关系的描述与推理仍存在差距的不足,提出了一种基于Voronoi图的非连通空间对象方向关系表达模型。该模型借助Gestalt心理学理论,通过提取非连通空间对象的特征点、特征链,构建空间对象间的可视区域,生成方向关系Voronoi图,实现了非连通、含洞的参考对象与目标对象间方向关系的表达。该模型较好地顾及了空间对象形状、大小等因素带来的影响,表达精度更高、适用范围更广。为了提高复杂空间对象方向关系复合推理的精度,基于该模型提出了一个非连通对象间主方向关系复合推理算法。该算法借助Tile-union运算和Pr运算,实现了该模型下基本主方向关系的复合推理,降低推理结果的不确定性。分析和验证的结果表明,提出的非连通空间对象方向关系模型及复合推理算法,提高了表达与推理的精度,完善和提高了对复杂空间对象方位关系的分析与处理能力。

基于Roe-Siegmund循环内聚力模型焊趾疲劳裂纹萌生仿真

为建立焊趾疲劳裂纹萌生行为仿真方法,基于Roe-Siegmund循环内聚力模型对ABAQUS进行二次开发,形成用于反映疲劳累积损伤的VUMAT子程序,依据文献方法及试验数据获取Q345焊接区域材料的内聚力参数,通过Voronoi图法和内聚力单元法生成具有疲劳累积损伤特性和晶粒特征的微观模型,并与宏观对接焊缝模型合并,进行多尺度疲劳裂纹萌生仿真模拟,获得裂纹萌生路径、临界循环次数及晶粒力学响应特征.结果表明,此方法能够自发地选择符合实际情况的裂纹萌生位置以及短裂纹扩展路径,完成对焊接区域材料微观断裂过程的模拟,不同仿真组获取的临界循环次数存在于一定的分布范围内,模型中的累积内聚力长度需通过试验数据进行拟合.

计及低碳运行的综合能源站的优化配置研究

为推动新型能源体系建设,促进“双碳”目标的实现,能源系统合理的优化配置至关重要。介绍了一种计及低碳运行的综合能源站的优化配置方法,文中分析能源站选址影响因素,利用Voronoi图及空心圆策略确定综合能源站候选位置集,并依据最小综合负荷矩确定最终安装位置。以综合能源站配置的设备类型及容量为决策变量,从环境和经济利益两方面建立了年总成本及碳排放量最少的多目标优化配置模型,提出了一种改进的带精英策略的快速非支配排序遗传算法(nondominated sorting genetic algorithmⅡ,NSGAⅡ)对模型进行求解。针对Pareto解集的多样性,利用模糊隶属度法进行决策。算例仿真结果证明了所提出的候选位置可降低优化求解的搜索空间,所建立的优化配置模型具备可行性和有效性,能够反映综合能源站经济性和碳减排效果。

基于Voronoi图的空间点事件统计聚类方法

挖掘地理空间数据中点事件聚集模式对于揭示流行疾病、犯罪分布热点区域及城市基础设施空间分布格局等具有重要意义。针对不同形状、密度和大小的显著空间点聚集模式的识别,目前以空间扫描统计为代表的方法虽然可以对空间点聚类的显著性进行统计推断,减少虚假聚类结果,但其主要用于识别球形或椭圆形状的聚簇,对于沿着街道或河道分布的任意形状、不同密度的显著空间点聚簇识别还存在局限。因此,本研究提出一种基于Voronoi图的空间点聚集模式统计挖掘方法。首先,采用Voronoi图来度量空间点分布的聚集性,将空间点聚类问题转化为热点区域探测问题;其次,结合局部Gi*统计量探测统计上显著的空间点聚簇;最后,通过模拟数据和真实犯罪事件数据进行实验与对比分析。结果表明:本方法能够有效探测任意形状的空间点聚类,并对空间点簇的显著性进行统计判别,识别显著的空间点簇,减少随机噪声点的干扰;聚类识别结果优于现有代表性方法,如DBSCAN算法、空间扫描统计方法等。

基于Voronoi图的精细化PFC数值计算方法与应用

由于岩石细观结构决定宏观力学行为,离散元计算结果的准确性取决于数值模型对岩石复杂细观结构的表征程度。为提高离散元数值计算在采矿工程中的适用性,基于Voronoi图提出一种精细化PFC数值计算方法。Voronoi图剖分空间形成的凸多面体具有随机性和多样性,与岩石细观结构具有自相似性;将Voronoi图中点、线、面、体的编号与坐标数据导入PFC,借助PFC内嵌Fish语言将其转化为PFC可识别几何体,基于Voronoi单元提出2种不规则颗粒模型构建方法(VCPM和VBPM),分别模拟完整岩石和破碎岩石;采用Monte-Carlo方法生成服从Weibull分布的伪随机数,表征岩石细观力学参数,实现岩石非均质性模拟,将不规则颗粒周围接触数目定义为Coordination Number(CN),颗粒体积和颗粒CN分别服从Weibull分布和正态分布,实现岩石细观结构复杂性模拟;VCPM模型可准确模拟完整岩石在单轴和三轴抗压条件下的强度特征及峰前硬化、峰后软化、体积剪胀等行为,模拟所得岩石单轴抗压强度221 MPa,弹性模量64 GPa,内聚力和内摩擦角分别为34 MPa和55°,与实验数据具有较高的一致性;高内摩擦角表明VCPM模型内不规则颗粒间的剪切闭锁效应增强,且模拟结果可反映岩石破坏模式随围压增大由劈裂向剪切甚至塑性流动转变的现象;VBPM模型可准确模拟破碎岩石在侧限压缩实验中的压实和承载特征,初始加载阶段,破碎岩石中含大量孔隙,变形曲线斜率小,轴向载荷增加导致孔隙逐渐压实,变形曲线斜率快速升高,应力应变曲线模拟结果与实验结果吻合,由于VBPM模型不规则颗粒间的自由度差异明显,压缩过程中颗粒间的接触力呈现非均匀分布特征。

鲁棒的水密流形网格修复

针对未经修复的网格模型一般存在非流形结构,常带有孔洞、法向不一致、自交等缺陷,很难直接应用到后续基于网格的应用中的问题,提出一种保持输入网格特征的鲁棒水密流形网格修复算法.首先利用Manifoldplus算法和卷绕数(winding number)构建能够区分输入网格内外且逼近输入网格的水密流形引导曲面;然后利用引导曲面计算受限Voronoi图(restricted Voronoi diagram,RVD);再通过对偶得到受限三角剖分(restricted Delaunay triangulation,RDT);将非流形问题分解到RVD和RDT计算过程中,保证计算的RDT即为修复后的水密流形网格;最后在原始网格边中添加辅助点,保持原始网格特征.基于Windows 10平台,在ModelNet10公开数据集上进行实验的结果表明,所提算法在输出网格的平均精度为1.54×10^(-6),与Manifoldplus算法相当;但是当输入的模型包含孔洞时,Manifoldplus算法无法将孔洞合理地填补,而该算法能够合理地填补孔洞.

南沙海域搜救可达性评估

南沙群岛周边海域作为世界上最繁忙的海域之一,是海难事故的频发区,快速的海上搜救是保障人民生命财产安全的重要措施,因此,研究南沙海域的搜救可达性就显得尤为重要。文章基于乘法加权Voronoi图对南沙群岛27个岛礁的影响范围进行了划分,利用船速校正模型得到波浪场影响下船舶航行的实际速度,然后通过最短路径算法计算得到南沙海域周边5国共20个港口至该区域的加权平均可达时间,并使用多种评价指标对各国的可达性能力进行评估分析。结果显示:1)马来西亚至南沙海域的综合可达性最优,平均可达时间最短,其次是文莱、菲律宾和越南,平均可达时间均在20 h以内。而中国至该海域的可达性较差,排名最后。2)新增永暑礁港口后,中国的可达性得到显著提高,平均可达时间缩短至15.54 h,24 h覆盖范围增加了约92.0%。3)鉴于距离南沙海域较远,中国应该加强在远海岛礁建设中转基地及配套搜救设施的能力,这一举措将显著提高中国至中、远海区域的可达性。

兴安落叶松天然林林木竞争研究

【目的】兴安落叶松是我国寒温带的优势树种,基于不同竞争指数对其开展竞争研究,为天然林的可持续经营提供依据。【方法】采用四邻体法和泰森多边形法(即Voronoi图)确定每株对象木周围与其最邻近的竞争木,计算Hegyi简单竞争指数和建立在简单竞争指数基础之上的综合竞争指数,采用Kendall、Spearman相关性分析和曲线拟合的方法对简单竞争指数和包含多项林木因子的综合竞争指数的优劣性进行比较分析,并探讨泰森多边形法在兴安落叶松天然林中的适用性。【结果】1)竞争指数在与3种林木因子(胸径、树高和冠幅)的拟合中,简单竞争指数和综合竞争指数的拟合都呈极显著负相关关系(P <0.01);2)在确定竞争单元方法相同的前提下,简单竞争指数与各林木基本因子的拟合度都低于综合竞争指数的拟合度;3)泰森多边形法构建的综合竞争指数、简单竞争指数与林木基本因子的拟合度分别优于传统四邻体法构建的综合竞争指数和简单竞争指数。【结论】对比4种竞争指数,基于泰森多边形法的综合竞争指数最优,此竞争指数与各林木因子的拟合度最好,更适合该天然林林木竞争的研究。当林木个体胸径达到20 cm,树高和冠幅分别达到20 m和6 m前可以实施一些必要的抚育、管理措施。研究结果可为今后兴安落叶松林的合理经营与保护措施的制定提供参考依据。

不同立地类型的柏木人工林空间结构分析

为探究不同立地类型柏木人工林的空间结构特征,以四川省梓潼县七曲山国有林场柏木人工纯林为研究对象,将15个柏木人工林标准地划分为不同的立地类型,并基于Voronoi图构建林分空间结构单元,采用角尺度、大小比数、竞争指数、开敞度和林层指数等5个指数分析不同立地类型柏木人工林的空间结构特征。结果表明:根据对优势木平均高影响显著的立地因子(坡度和土壤厚度)可将柏木人工林标准地划分成立地类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ;3种立地类型的柏木林分以1株中心木与6株近邻木组成的空间结构单元最为常见;立地类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ柏木人工林的角尺度平均值分别为0.39、0.37、0.38,林分整体空间分布格局呈均匀分布;大小比数平均值分别为0.49、0.50、0.51,大小分化程度相似,生长态势均为中庸;开敞度平均值分别为0.20、0.32、0.30,林分透光条件较差,生长空间不足;林层指数在3种立地类型间存在显著差异(P<0.05),立地类型Ⅲ柏木人工林在垂直方向分层最明显,立地类型Ⅰ垂直结构最简单;竞争指数在3种立地类型间存在极显著差异(P<0.01),立地类型Ⅲ林分空间竞争最激烈,立地类型Ⅰ林分空间竞争最弱。基于研究区柏木人工林现状,可根据林木生长立地类型的不同进行适当的营林活动。

基于面需求法的充电设施分区选址优化

为解决充电设施激增、充电桩容量不匹配等问题,平衡区域充电负荷,提升用户充电满意度,合理布局充电设施至关重要。为此,提出一种基于面需求法的电动汽车充电设施选址方法。首先,根据慢充桩和快充桩的现有分布情况,对配电网区域进行分区建模。其次,结合电动汽车用户的分布和各区域的车流量,确定最佳充电设施布局区域。考虑到分布式电源和储能设施较多,为减少弃风弃光情况,分区选址过程需综合考虑分布式能源设施的位置。最后,运用粒子群优化算法对案例进行仿真分析。结果表明,基于面需求法的充电设施分区选址优化方法可降低充电过载风险99.7%,提升充电设施功率稳定性63.2%,提高用户充电满意度3.2%,体现了分区选址策略的有效性。

生物力学约束下的多孔结构鞋中底设计

提出一种由足底压力映射的三维维诺(Voronoi)支杆鞋中底结构设计方法。将足底压力信息作为鞋中底结构设计的数据驱动基础,采用加权随机采样策略构建Voronoi站点;通过裁剪算法,使三维Voronoi图适应鞋中底边界;以裁剪后的三维Voronoi边为骨架线,采用隐式曲面建模技术和隐式函数融合生成光滑连续的三维Voronoi支柱鞋中底。测试结果表明:三维Voronoi支柱鞋中底可以使足底压力分布更加均匀,并可有效地减轻跖骨和足跟区域的负荷,降低足底压力异常集中导致关节损伤的概率。

基于充电需求预测的电动汽车充电站选址规划研究

针对目前电动汽车充电站选址规划问题,提出了一种基于充电需求分布预测的充电站选址优化策略。该策略建立了基于Dijkstra最短路径的Voronoi图方法和双层动态排队方法的充电站选址定容模型,来满足电动汽车保有量持续增长下的充电需求;在充电站年均建设、运营成本,配电网惩罚成本以及电动汽车充电成本多目标约束下,得到以电动汽车充电站规划总成本最小化为目标函数。最后基于改进粒子群优化算法求解目标函数,对新增充电站进行多场景实例分析。MATLAB和MATPOWER仿真结果表明,在不同电动汽车保有量的场景下,通过合理规划充电站布局,可以提高电动汽车充电站选址规划的经济性,从而验证了模型的有效性,为充电站的选址规划提供理论依据。

基于加权Voronoi图的农村居民点用地适宜性评价及分区管控

随着经济社会的快速发展和城镇化的加快推进,农村人口向城镇集中,造成大量农村宅基地闲置或低效利用,加之宅基地布局散乱、基础设施配套不全,严重影响农村土地利用效率提升和人民生活水平的提高。本文以景泰县为例,在测算农村居民点整治潜力的基础上,应用加权Voronoi图进行农村建设用地适宜性评价和空间热点分析,探究农村居民点布局优化方向与发展的路径策略。结果表明,景泰县农村居民点整治潜力为876.16 hm2,整治潜力较大;农村建设用地适宜性整体较好,但各区域的差异较大,划分为适宜性好、较好、一般、较差、差5个等级;在此基础上将研究区划分为5种农村居民点发展模式区,并针对性地提出管控策略,为更好地开展国土空间规划编制、提高农村土地利用效率,助推乡村振兴提供参考和借鉴。

改进骨架提取的Voronoi图导航中骨架重构算法研究

基于Voronoi图的路径规划算法在复杂环境导航过程中会因环境改变和Voronoi图结构的不变性,使全局路径规划器陷入最短路径搜索“陷阱”,导致导航失败。针对这一问题,提出一种改进骨架提取的Voronoi图导航骨架重构算法。对栅格地图进行预处理,生成全局初始骨架;结合激光雷达观测模型更新代价地图,通过改变代价地图的更新方式辅助骨架重构,实现机器人正确导航。对比实验结果表明,所提算法使骨架重构具有“记忆性”,在保证导航实时性的同时,提升了骨架算法的导航鲁棒性。

基于移动边缘计算的位置隐私保护策略

针对目前移动边缘计算位置隐私保护算法导致用户任务卸载时服务质量降低的问题,提出一种融合维诺图机制和-地理不可区分机制的位置隐私保护策略V-Geo。首先,云服务器以地图中的边缘节点作为维诺图的生成元,采用逐点插入法生成维诺图,将地图划分为若干维诺格,并将地图划分数据分发至地图中的用户;其次,用户以自身所在维诺格为安全区域,融合-地理不可区分机制在该维诺格范围内基于自身真实位置生成一个虚假位置用于代替真实位置进行任务卸载;最后提出一种融合时延、能耗和距离损失的服务质量损失模型,该模型根据用户对时延、能耗和距离损失的不同需求评估用户任务卸载时的服务质量高低。以场景内所有用户的服务质量损失模型作为指标,改变时延、能耗和距离损失的权重占比进行仿真,仿真结果证明在同等的隐私保护程度下,V-Geo算法较基于本地差分隐私的改进算法(V-R)用户的服务质量损失平均减少了31.2%。同时证明了在不同用户数量和不同边缘节点数量下,V-Geo算法较其他算法依旧存在优势。

基于静态充电需求的城市公共充电桩选址决策模型

为科学发展新能源交通基础设施,对城市公共充电桩的建设选址优化展开研究.首先,考虑充电行为与停车行为的强关联性,提出静态充电需求的概念.其次,结合城市停车设施分布与安全间距要求,确定备选点位集合,并构建选址优化模型,在实现满足周边需求的同时,适应中心城区新能源汽车发展的总体规律,实现投建主体的收益最大化.再次,通过引入Voronoi图,平均划分备选点位之间服务范围的空间叠加,简化原模型的约束条件,并设计“两阶段”算法,降低原问题可行域维度,提升求解迭代效率.最后,以沈阳市三环内的城市核心区为实例进行分析.研究结果表明:基于静态充电需求的城市公共充电桩选址决策模型可通过优先在静态充电需求旺盛的区域布局城市公共充电桩,其在给定参数下,与传统的P-中心模型和集覆盖模型相比,充电收益可提升12.7%以上,充电服务覆盖范围更广,可以更好地保障新能源汽车发展,引导城市交通绿色化转型.

基于晶体塑性有限元法的316LN不锈钢单轴力学行为

为了更准确描述316LN不锈钢单轴力学行为,在率相关晶体塑性理论框架下,以Ahmadzadeh-Varvani(A-V)随动硬化准则为基础,构建了多晶循环塑性本构模型.通过程序UMAT将其移植到有限元软件ABAQUS中,并通过Voronoi图建立二维多晶有限元模型;分别模拟了不同加载率、应变循环和非对称应力循环条件下316LN不锈钢的变形行为.对比模拟结果与实验数据可知:单轴拉伸条件下,两者的应力误差在±0.9%附近波动,最大应力误差仅为1.9%;应变循环条件下,两者的最大应力误差出现在第5圈,拉伸和压缩阶段应力误差分别为11.4%和12.2%,循环稳定后,拉伸和压缩阶段应力误差分别为7.4%和7.9%;应力循环条件下,两者的误差主要体现在滞环宽度上,模拟的滞环面积相对较窄,但滞环演化趋势误差较小.

基于GIS的灾害避难所适宜性评价及选址优化研究——以山东省日照市为例

作为应急管理的重点内容,灾害避难所的选址优化可为制定防灾减灾规划提供参考。以山东省日照市为例,基于GIS空间分析技术,采用起始点-目的地点(origin-destination,O-D)成本矩阵法、道路阻抗模型、Voronoi图算法和P-中值补充选址优化模型等方法,通过现在避难所的可达性分析、责任区评价及其人口配置缺口分析,多角度评价了日照市现有避难所的适宜性,并设计了3套避难所补充选址优化方案。结果表明:日照市道路交通可达性较高,各道路节点到其他所有节点平均车行时间为34.74~83.40 min,但现有避难所数量不足、空间分布过于集中,制约了现有避难所的可达性,不同辐射半径下,现有避难所可达范围分别仅占全市面积的12.60%、39.54%和78.69%。日照市现有避难所责任区内需跨区避难的乡镇和街道占比达18.52%,2种避难需求情景下,日照市人口配置缺口对应全市81.96%和15.91%的人口,现有避难所难以容纳。3套补充选址优化方案的近期规划方案中,建议新增高新区城市生态公园和开发区中心公园和奎山山地公园等8个公园绿地作为新建避难所。