基于变密度法的SLM增材制造无人机承载接头结构拓扑优化设计

针对某大型无人机机身轻量化需求,以选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)制造的承载接头结构为研究对象建立有限元模型,基于ANSYS Workbench计算接头结构在不同极限工况下的强度、刚度性能,并根据材料最大许用应力准则进行校核.采用拓扑优化变密度法,以应力最小化为目标、保留质量40%为响应约束,对接头结构进行拓扑优化,根据优化结果设计两种重构方案并进行静力学验证.结果表明,两种模型重构方案分别减重了13.8%和13.3%,在轻量化程度相近的情况下,方案Ⅱ明显具有更小的应力分布以及变形程度,即最优重构方案成功实现轻量化设计,与原结构件相比质量减轻13.3%,且相较于其他方案承载能力最强,满足静态结构设计要求.为大型无人机承载接头结构实现低成本、轻量化的结构设计探索了新的途径.

基于CatBoost算法的配电网分区拓扑辨识

含多分布式电源配电网的拓扑结构具有多样性与多变性,影响拓扑辨识的实时性和准确性。提出一种基于CatBoost算法的配电网分区拓扑辨识方法。构建结合拓扑分区的配电网拓扑辨识框架,采用区域开关状态矩阵描述拓扑结构,以进行物理上的辨识降维;提出基于CatBoost算法的特征选择与拓扑辨识方法,通过分区并行离线训练得到历史拓扑和未知拓扑的区域拓扑辨识CatBoost模型,通过在线应用得到实时的区域开关状态矩阵标签,形成配电网开关状态矩阵,实现系统拓扑辨识。配电网算例系统测试结果验证了所提方法的有效性。

金属抗菌肽SIF_(4)对大肠杆菌拓扑异构酶活性及胞内核酸合成的影响

为系统阐明金属抗菌肽SIF_(4)基于DNA拓扑异构酶靶点的非细胞质膜抑菌机理,以大肠杆菌为模式菌株,研究了金属抗菌肽SIF_(4)与基因组DNA的结合方式、对DNA拓扑异构酶I/II活性以及胞内核酸生物合成的影响机理。研究发现,金属抗菌肽SIF_(4)可能以类似溴化乙锭嵌插方式与基因组DNA结合,对拓扑异构酶I有较强抑制活性,但对拓扑异构酶II影响较小,可通过影响DNA负超螺旋解链和RNA聚合酶结合催化RNA转录过程发挥抑菌活性。研究还发现,经金属抗菌肽SIF_(4)处理12 h后,大肠杆菌胞内总DNA和总RNA生物合成量均受到不同程度的抑制,且呈现良好的量-效关系,1/2最小抑菌浓度(minimal inhibitory concentration,MIC)组与对照组(0 MIC)相比,胞内DNA和RNA生物量差异不显著(P>0.05),MIC和2 MIC组与对照组相比,胞内DNA和RNA生物量差异显著(P<0.05)。实验结果可为金抗肽SIF_(4)在食源性大肠杆菌生物防控中的应用提供理论支持。

基于多分辨率-多边形单元建模策略的多材料结构动刚度拓扑优化方法

利用多边形有限单元的高精度求解优势,融合多分辨率拓扑优化方法,实现粗糙位移网格条件下的高分辨率构型设计,由此提出多材料结构动刚度问题的拓扑优化方法。将多边形单元(位移场求解单元)劈分为精细的小单元,构造设计变量与密度变量的重叠网格,形成多分辨率-多边形单元的优化建模策略;以平均动柔度最小化为目标和多材料的体积占比为约束,建立多材料结构的动力学拓扑优化模型,通过HHT-α方法求解结构动响应,采用伴随变量法推导目标函数和约束的灵敏度表达式,利用基于敏度分离技术的ZPR设计变量更新方案构建多区域体积约束问题的优化迭代格式;通过典型数值算例分析优化方法的可行性和动态载荷作用时间对优化结果的影响机制。

列车制动盘散热特性分析及拓扑优化

针对紧急制动工况下制动盘散热问题,采用计算流体力学分析方法对某型通风式制动盘进行了散热特性研究。对制动盘内部流道速度场和对流换热等进行评估,在此基础上,采用由N-S方程与达西定律耦合成的Brinkman方程拓扑优化,实现制动盘散热能力提升的优化目标。结果表明:优化后的模型在整个制动工况中散热量提高了13.46%。

磁序与拓扑的耦合:从基础物理到拓扑磁电子学

磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科,二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础.磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物,为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度.磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态,通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应;而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力.当前,新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征,而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野.这两个阶段的深入发展,将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试.本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段,讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面,阐述当前领域内的热点内容和发展趋势,并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望,以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.

大型封闭空间中UWB定位基站拓扑的通用设计方法

超宽带(ultra-wide band,UWB)技术是无人装备在巡检具有多障碍物的大型封闭空间时获取定位坐标的主要方法之一。目前主要依赖人工方式设计UWB定位基站拓扑的构型、位置和数量。这种方式存在设计效率低下,设计效果未知,性价比难以确定等问题。为此,本文提出了一套较为科学完善的定位基站拓扑评价体系,并提出了一种在大型封闭空间中自动设计定位基站拓扑的通用方法。该方法以仿真模拟为基础,通过遗传算法结合拓扑评价体系,自动生成贴合实际应用场景的最优拓扑方案,包括最优的基站布设数量以及布设位置信息。实验结果表明:1)经通用设计方法生成的拓扑相比使用基站数量最多的拓扑,综合性能提高了6.2%;相比使用基站数量最少的拓扑,综合性能提高了21.2%。2)经通用设计方法生成的拓扑相比人工设计的锯齿形拓扑,综合性能提高了11.4%,设计效率提高了92.9%。可见,针对具有多障碍物的大型封闭空间场景,本文的方法可以在较短的时间内设计出综合性能较优,性价比较高的定位基站拓扑,为无人装备在此类大型封闭空间中开展全自主定位和巡检奠定了基础。

基于能量有限元的薄板结构多目标拓扑优化

拓扑优化设计是结构设计中降低成本和实现轻量化的关键环节。能量有限元法(energy finite element analysis,EFEA)是高频动响应分析的有力工具。在高频动力学拓扑优化中,用能量有限元法代替有限元法(finite element analysis,FEA)进行动响应计算可以获得较高的计算效率和计算精度。为了使能量有限元求解和拓扑优化过程能够有效衔接,促进基于能量有限元法的高频动力学拓扑优化的工程应用,建立了基于能量有限元法的多目标拓扑优化模型。基于能量有限元法,以最小能量柔度和感兴趣单元最小能量密度作为高频动力学拓扑优化的目标函数,采用“线性加权法”,建立多目标情况下的拓扑数学模型;再对模型进行离散化,进而对其进行灵敏度计算,通过灵敏度过滤和最优化准则得到多目标拓扑优化构型。最后通过算例,分析不同激励频率对拓扑构型的影响,揭示不同目标权重系数对拓扑构型的交叉影响规律。结果表明,当权重系数相同,激励频率不同时,中高频的减重百分比较低频大;当频率相同,权重系数比为1∶1时,减重百分比最大。基于能量有限元的高频动力学拓扑优化模型有利于发展飞行器等易诱发高频振动的结构的优化设计理论,优化设计结果对实际的结构设计具有一定的参考价值。

一种构建参数化量子线路的区块环拓扑结构

在变分量子算法中,参数化量子线路拓扑结构的选择对算法性能具有重要意义.目前已有的拓扑结构存在一些问题,如全连接拓扑结构所需量子门数量较多,环型拓扑结构的表达能力与纠缠能力略有欠缺.为了解决以上问题,本文提出了一种新型的区块环(Block-Ring,BR)拓扑结构,在保障良好性能的同时减少参数规模(即量子门数量),降低线路复杂度.在BR拓扑中,n个量子比特被等分为多个区块,每个区块包含m个量子比特,区块内部所有量子比特两两连接,区块之间采用环型结构进行连接.为了构造BR拓扑结构的参数化量子线路,设计了一种多层线路生成算法,可自动生成由单量子比特门Rx、Rz和双量子比特门CRx或CRz构成的量子线路.IBM Q模拟实验表明,相较于环型拓扑结构,无论单层、双层以及三层BR拓扑结构的表达能力和纠缠能力均有不同程度的提升;相较于拥有最高表达能力与纠缠能力的全连接拓扑结构,BR拓扑结构呈现接近的性能指标,且线路复杂度显著降低,即参数数量与双量子比特门数量均从O(n^(2))降低为O(mn),线路深度从O(n^(2))降低为O(n/m+m^(2)).

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.

流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热-力耦合或者流-热耦合的设计,且大多局限于简单结构,未考虑流-热-力三场共同作用下的设计,限制了结构性能的提升。针对流-热-力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战,提出了一种流-热-力耦合拓扑优化方法,以提高复杂结构的承温能力。首先引入流场、温度场和结构位移场的控制方程,对计算域的流固材料进行统一表征;然后以最小化平均温度为目标,以流动能量耗散和结构柔度为约束,建立了流-热-力耦合的拓扑优化模型,并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析;最后将所建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计,得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。

运动解耦且大工作空间三平移机构拓扑设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计方法和运动解耦设计原理,提出一个运动解耦性优异的单回路三平移子并联机构;设计一类4个具有正向位置符号化、部分运动解耦性且具有较大工作空间的三平移(3T)并联机构;对这类机构进行拓扑特性分析,得到相同的方位特征集(POC)、自由度(DOF)、耦合度(κ)、运动解耦性等主要拓扑特性;对其中一个机构进行运动学、动力学性能分析。根据基于拓扑特征运动学建模原理,求出其符号化位置正反解,以及速度、加速度曲线;基于推导出的位置逆解公式,分析机构的奇异位形及工作空间;根据基于序单开链的虚功原理,进行其动力学建模与分析,求解出机构的驱动力。

考虑海缆实际载流量的海上风电集电系统拓扑优化

海缆实际载流量是海缆选型的重要依据,在海上风电场集电系统拓扑优化中,考虑不同敷设区段海缆载流量存在的差异以及海缆多回路并联敷设时磁热效应对载流量的影响,对保障集电系统的安全性具有重要意义。首先,采用模糊C均值算法对风机进行聚类分区,将集电系统拓扑优化分解为分区内、外拓扑优化。然后,在分区内采用基于Voronoi图的拓扑搜索算法进行求解;在分区外拓扑优化中,考虑海缆瓶颈区段、回路数对载流量的影响,构建混合整数非线性优化模型,线性化后采用优化求解器GUROBI进行求解。最后,以某实际风电场为例进行仿真验证。结果表明,所提模型能保证海缆实际载流量始终大于海缆工作电流,可有效保障集电系统的安全性。

基于自动分层分区的通信网络拓扑建模方法

通信系统抗震韧性评估对提升系统整体抗震能力和减轻灾害损失具有重要意义,基于通信系统组网规则快速建立合理的通信网络拓扑能够为抗震韧性评估提供网络拓扑数据,同时为建设经济且稳定的城市通信网络提供指导。针对这一问题提出了一种建立合理通信网络拓扑的方法:在获得通信节点基础信息的前提下,基于通信网络组网规则采用优化算法自动建立给出通信网络拓扑。该方法首先采用聚类算法实现通信节点的自动分区;然后,基于通信线路的拓扑规则,以线路长度最短为优化目标,采用蚁群算法和Dijkstra算法优化建立同一分区内节点间线路拓扑。为了验证该方法的可用性,以两座不同规模城市为例,建立了两座城市通信网络拓扑模型。建模结果显示:针对不同规模城市该方法能够结合具体情况快速建立合理的城市通信网络拓扑模型。

无线传感器网络能量均衡混合拓扑维护策略

针对恶劣环境下无人值守的无线传感器网络能量受限特性,提出一种时间和能量混合拓扑维护策略,以达到实现节点能量均衡的目的。将拓扑控制分为网络初始化阶段、拓扑构建阶段和拓扑维护阶段,在随机部署和虚拟骨干网络构建的前提下,确立了能量和时间作为拓扑维护触发条件的合理性。仿真表明,所提出的混合拓扑维护策略使网络生命周期提升了44.6%,90%覆盖率结束时间增加了1.4倍,为无线传感器网络的节能部署提供了参考。

基于水平集带方法的柔顺机构拓扑优化研究

水平集方法在拓扑优化问题中采用隐式函数的零水平集描述结构边界,由于可以方便的表达结构拓扑变化并使结构边界保持清晰和光滑的特性,水平集方法很快成为拓扑优化领域的重要方法之一。但是由于水平集方法在优化过程中存在拓扑变化的不连续性,容易出现数值不稳定、初始设计依赖性等问题。近年来水平集带方法的提出可以有效改善这一现象,成为提升水平集方法拓扑表达能力的重要手段。本文将水平集带引入到参数化水平集拓扑优化方法中,并对其在柔顺机构优化设计问题中的应用开展研究。水平集带方法在水平集函数的零水平集附近引入水平集带区域,采用水平集函数插值可以得到带宽范围内[0,1]区间连续分布的材料密度,并在优化过程中通过逐渐减小水平集带的宽度使带宽范围内的材料密度逐渐收敛至0-1分布。该方法结合了变密度法的优势,使优化过程中材料密度变化保持连续,可以提升参数化水平集方法的稳定性,得到更优的目标函数值,并有效改善水平集方法的初始设计依赖性问题。本文通过多个柔顺机构的拓扑优化算例从不同初始设计、不规则设计域及几何非线性等多方面分析和验证了该方法的有效性,计算结果表明该方法对面向实际工程的复杂设计问题具有较好的适用性。

偏序集上的弱Scott拓扑与弱测度拓扑

讨论偏序集的s_(2)连续性和弱Scott拓扑的一些性质:给出s_(2)连续偏序集上伴随的一些性质;定义弱测度拓扑,研究s_(2)连续偏序集上弱测度拓扑的性质;利用弱测度拓扑给出s_(2)交连续偏序集的等价刻画;研究弱Scott拓扑的连通性.

拓扑与MOGA算法下的梁柱材刀架轻量化设计

为了提高梁柱材钻铣刨加工中心的综合性能,本文以其中具有X,Y方向插补运动的刀架为研究对象,进行轻量化设计。对刀架的质量进行两次优化:第一次使用拓扑算法优化,以最大刚度为目标函数,应力、变形为约束,质量为响应约束,建立拓扑优化模型进行优化;第二次使用MOGA算法在拓扑优化的基础上进行优化,建立拓扑优化刀架的重构模型,验证力学性能与低阶固有频率,选择优化设计变量,设计CCD(Central composite design)试验获得初始样本点,选取5个验证点与Kriging模型的预测值进行拟合,根据Kriging模型建立局部灵敏度较高设计变量的响应面模型,获得设计变量对应力、变形、质量直观的影响程度,利用MOGA算法建立优化模型,寻找最优解。试验结果表明:在满足强度的条件下,经过两次质量优化设计,刀架质量减小了14.48%。

齿轮传动误差峰峰值最小化的拓扑修形优化研究

为了满足齿轮传动系统低噪声、小振动和高传动精度等要求,提出了一种基于传动误差峰峰值最小化的齿轮拓扑修形优化方法。基于直线与抛物线的复合修形叠加曲线,在标准渐开线齿轮的齿廓和齿向方向对齿轮进行修形设计,提出一种拓扑修形齿面形成方法;以齿轮传动误差峰峰值最小为优化目标,基于遗传算法对提出的拓扑修形齿轮齿面进行参数优化,得出拓扑修形齿轮齿面的最佳修形参数;将拓扑修形齿轮和标准齿轮进行对比,分析修形前后齿轮的齿面受载情况和齿根应力分布情况,验证了提出的拓扑修形优化方法的有效性。

声学四极子拓扑绝缘体中的反常手征边界态

基于量子系统的物理概念在经典的声波体系中构造拓扑态是声学研究最前沿的方向之一。然而对于四极子拓扑绝缘体这一物理模型,已有的研究结果往往只关注能量局域在角上的角模式,而忽略了沿边界传输的边界态。该研究利用超材料单元在声波体系中实现了四极子拓扑绝缘体,通过分析构造的声人工周期单元的拓扑性质,沿特定的路径切割声学超材料晶体实现了反常手征边界态,并进一步构建了一系列支持边界态传输的声学器件。利用有限元仿真软件计算的结果表明该手征边界态在空间上有较好的局域性,对于尖锐的转角和几何缺陷亦具有免疫性。该研究提出的反常手征边界态及相关的输运器件有望应用于空间声场操纵、声学通信、减振降噪等领域。