基于梯度增强Kriging方法的水下航行器结构优化设计

[目的]船舶结构优化设计过程通常涉及对高精度数值仿真进行响应分析,其耗时特性决定了可调用的仿真次数十分有限,使得优化过程受到限制。为了探索基于梯度增强Kriging代理模型的高效设计优化方法,缩短设计周期,节省设计成本,提出基于缩减型梯度增强Kriging的加点策略,仅在有实际改进的采样位置进行梯度计算,以减少仿真调用次数。[方法]首先,使用多起点局部优化算法搜索改进期望函数的若干局部最优解作为候选加点位置;然后,计算相应的近似驻点概率,并根据改进期望值和近似驻点概率值的一致程度来确定加点位置,从而提高优化效率;最后,针对某水下航行器结构进行优化设计,以提高其水下无约束自由振动时的第7阶固有频率为目标,对所提方法的可行性进行验证。[结果]结果表明,优化后的固有频率值与基准型相比提升了14.6%,方法的可行性得到验证。[结论]所提方法可以将基于梯度增强Kriging代理模型的优化方法泛化至梯度信息只能通过有限差分法获取的场景。

基于伴随方法、梯度增强Kriging方法的涡扇发动机进气道减噪高效优化方法

发动机进气道减噪优化设计问题中涉及大量设计变量,使用常规的Kriging模型来求解时计算量巨大,且计算效率低下。为了高效设计低噪声进气道,首次发展了用于管道声学问题的声传播方法、伴随方法、梯度增强Kriging方法的混合方法,提出了一套基于声学伴随方法和梯度增强代理模型的高效优化设计框架。利用伴随方法高效求解设计变量的梯度信息;并加入Kriging代理模型中,显著提高了代理模型的精度;阐述了梯度增强Kriging方法和伴随混合方法在低噪声涡扇发动机进气道设计中的应用潜力。首先通过两个标准函数,测试了梯度增强的Kriging方法的寻优性能。最后,应用发展的混合方法进行了高达24个设计变量的典型进气道低噪声设计。结果表明,在额外的梯度信息下,混合方法可设计出满足气动性能约束的低噪声进气道,验证了设计框架的有效性和高效率。

梯度增强的Kriging模型与Kriging模型在优化设计中的比较研究

在许多工程优化设计问题中,由于需要采用费时的数值模拟方法获得目标函数和约束函数值,出现了优化时间过长、优化难度大的问题。为了提高设计效率,缩短优化设计周期,代理模型方法受到人们的欢迎。近些年来,为了进一步提高设计效率,人们在传统代理模型基础上又发展了一些更高效、预测精度更高的新型代理模型,如变可信度模型、梯度增强的代理模型等。为了研究新型代理模型在优化设计中的优化效率和优化效果,首先结合代理模型、多点加点准则及多种传统优化算法,发展了一套适用于代理模型、梯度增强的代理模型的通用优化算法框架,基于该框架,采用典型的数值算例对当前应用较为广泛的Kriging模型和近些年来发展的梯度增强的Kriging模型进行了对比研究。结果显示,在假定目标函数的梯度与目标函数计算量相同的情况下,采用梯度增强的Kriging模型得到的优化结果在绝大多数情况下都优于采用Kriging模型得到的结果。最后,应用翼型设计算例对两种代理模型进行了对比,其中目标函数的梯度采用与目标函数本身计算量基本一致的Adjoint方法获得;结果显示,梯度增强的Kriging模型表现优于Kriging模型。

原位生成TiC增强镍基梯度涂层的组织与性能

通过激光熔覆技术在H13钢表面原位生成TiC增强镍基单一涂层和梯度涂层,使用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、万能摩擦磨损试验机对涂层的微观形貌、成分分布、物相组成、显微硬度和摩擦磨损性能进行对比分析。结果表明,单一涂层易出现宏观气孔、裂纹、与基体结合差等缺陷,而梯度涂层能够实现成分、组织性能的梯度变化,与基体形成良好的冶金结合;梯度涂层生成Fe-Cr、TiC等多种增强相,使钢表面硬度和耐磨性显著提高,平均硬度约为单一涂层的1.44倍、基体的2.58倍;梯度涂层的平均磨损量为单一涂层的45.6%、基体的32.4%;梯度涂层磨损机理主要是颗粒磨损和粘着磨损。

基于多尺度梯度域引导滤波的煤矿井下图像增强方法

煤矿井下图像存在较严重的光照不均匀和噪声干扰,现有基于Retinex的方法直接应用于煤矿井下图像增强易出现光晕伪影、边缘模糊、过增强和噪声放大等问题。针对上述问题,提出了一种基于多尺度梯度域引导滤波的煤矿井下图像增强方法。首先,将多尺度思想引入梯度域引导滤波中,实现对非均匀光照的准确估计,有效解决了增强图像时光晕伪影及边缘模糊的问题。然后,利用Retinex模型分离出光照分量和反射分量:对于光照分量,通过自适应伽马校正函数逐像素地修正光照信息,实现对图像暗区域增强的同时,抑制亮区域过增强,并使用限制对比度自适应直方图均衡化方法调整图像对比度;对于反射分量,将梯度域引导滤波与多尺度细节提升相结合,在准确去除噪声后提升纹理细节,避免了增强图像时噪声放大的问题。最后,将处理后的光照分量及反射分量融合,计算图像增益系数,并使用线性色彩恢复方法实现对原始RGB图像的逐像素增强,提升方法处理效率。实验结果表明,从主客观角度与现有方法相比,经所提方法处理后的图像在色彩保持、对比度、噪声抑制、细节保留等方面均取得了较好的增强效果,同时处理效率较高。

基于增强梯度算子的软阈值宽带频谱感知算法

为了改善信号梯度特征对幅度的损失以及寻求描述信号的最佳尺度问题,提出了一种基于增强梯度算子的软阈值宽带频谱感知算法。通过引入梯度增强算子还原信号幅值特征,结合信号本身梯度特征,使用不同的尺度描述信号梯度增量,得到软阈值判据,进一步加入尺度融合单元,利用硬阈值加软阈值联合判断的方法,得到描述信号的最佳尺度。理论分析和仿真实验结果表明,在高斯信道和瑞利衰落信道下,相较于MPSG算法,所提算法的检测概率和虚警概率均有明显改善,且复杂度更低。通过对比实测数据的检测效果,所提算法更适用于实际工程中。

基于梯度场和非局部均值的复杂工件图像增强算法

由于高动态X射线成像系统与工件自身结构复杂性,复杂异形工件的射线图像往往呈现对比度低或特征信息不明确的问题。针对该问题,本文提出基于梯度场和非局部均值降噪的图像增强算法,提高视觉质量。首先,基于梯度场和局部方差构建对比度的自适应增强模型,提高射线图像的对比度;然后,利用非局部均值对图像进行去噪,特别地,本文构建了基于泊松分布的非局部均值算法进行图像去噪,从而得到增强的对比度场;最后,建立能量泛函并用梯度下降法求解来获得具有微小细节的更高质量的图像。实验部分对3个复杂异形工件的X射线图像进行图像增强和缺陷检测实验,结果证实了本文算法的有效性。

金属表面梯度增强层的制备研究进展

碳化物增强金属表面复合材料兼具碳化物的高硬度、高模量及基体的高韧性、高塑性优势,是提高金属材料使用寿命的有效途径。但是,随着碳化物颗粒体积分数提高,复合材料强度显著增大的同时韧性却大幅下降。如何改善碳化物/金属复合材料的强韧性倒置问题成为复合材料研究领域基础性难题之一。目前,报道的碳化物/金属基复合材料的表面复合强韧化方式主要有表面梯度化、纳米复合、表面应力以及新型结构等方式。主要讨论了金属表面工程技术的重要性以及表面梯度增强层的研究进展和制备现状,详细探讨了表面梯度增强层的优势,并提出了利用表面处理技术制备金属表面碳化物陶瓷梯度复合层,以期实现零件表面增强体的连续或逐级变化;同时保持基体的良好性能,有望提高金属材料的使役性能,增强表面特性,延长使用寿命,具有重要的工程实际价值。

基于梯度增强物理信息神经网络的一维弱噪声随机Burgers方程求解

物理信息神经网络PINNs (Physics-Informed Neural Networks, PINNs)因其良好的可解释性和泛化能力,被当作求解偏微分方程的一类通用逼近器。传统PINNs通过在损失函数中引入方程残差,将方程所携带的物理先验信息编译至网络中,但在求解实际问题时往往需要数量足够大的训练数据集,其输出才具有较好的网络表现力和求解精度。针对一维弱噪声随机Burgers方程,提出梯度增强的物理信息神经网络(Gradient-enhanced Physics-Informed Neural Networks, G-PINNs),采用方程导数的残差作为一种优化的软约束指导网络迭代更新,理论分析PINNs与G-PINNs两种网络架构寻找方程计算域内最优解的能力。改变数据集的噪声比例和配置点数量,评估两种网络架构拟合一维Burgers方程解结构的性能差异。数值算例表明,G-PINNs在无噪声、1%、3%和5%弱噪声下求解一维Burgers方程的精度分别提高了约80%、44%、31%、和20%。相较于传统PINNs,当迭代次数相同时G-PINNs在无噪声与弱噪声的情况下均能在更少的数据集上拟合一维Burgers方程的解结构,获得精度更高的预测解。

纳米金属粒子梯度掺杂的硅基近红外吸收增强结构

硅基光电子与CMOS工艺兼容,借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产,具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。其中,硅基半导体探测器是目前应用最为广泛的可见光波段探测设备,将其工作频段拓展到近红外波段具有重要意义。由于硅的禁带宽度,硅基材料在近红外波段电磁波吸收存在明显限制,硅基探测器在近红外波段的应用受到挑战。根据纳米金属粒子发生局域表面等离子共振时产生的近场增强效应,提出了一种纳米金属粒子梯度掺杂的硅基结构。通过应用等效介质理论,模拟了复合硅基结构在可见光与近红外波段的吸收特性。结果表明:该结构在近红外波段具有电磁波吸收提升效果,并且当选择纳米金粒子梯度递增掺杂时,可以在610~1 450 nm波段提升吸收性能,最高提升可达到10.7 dB。所提出的结构可以有效增强硅基材料在近红外波段的吸收效率,研究结果为硅基半导体探测器在近红外波段的应用提供了重要参考。

基于梯度直方图变换增强红外图像的细节

针对红外图像信噪比低、目标边缘和细节模糊等缺点,提出了一种基于梯度直方图变换增强红外图像细节的方法。通过分析红外图像的梯度直方图,构造出一个高斯函数来扩展梯度直方图,增大图像的梯度值。采用直方图规定化法,实现图像的梯度直方图规定化,得到变换的梯度场。在从变换的梯度场重建增强的图像时,引入全变分(TV)模型来抑制噪声。实验结果表明,提出算法的图像信息熵比灰度直方图均衡化和规定化算法显著提高,明显增强了红外图像的纹理细节,为目标检测、跟踪和识别提供了高质量的图像信息。提出的算法采用有限差分法迭代进行求解和Visiual C++编程,对大小为480pixel×480pixel的图像的处理时间约为40ms,基本达到了工程应用对图像处理的要求。

离子束增强沉积形成梯度薄膜

在金属衬底（Ａｌ、钢、铝－碳纤维、Ｎｉ３Ａｌ）上用离子束增强沉积形成氮硅化物的梯度薄膜．在薄膜的一侧有很高的电阻（１０７Ω），而在另一侧电阻根低（１Ω），在绝缘层和导电层之间电阻呈梯度变化．对梯度薄膜的组分、硬度、附着力、疲劳寿命、抗腐蚀能力和抗高温氧化性能进行了测试和分析．

图像梯度场双区间均衡化的细节增强

直方图均衡化技术已广泛地应用于图像增强中,本文将该方法引入梯度域,这样可以使图像细节均匀地分布在各灰度级上.进一步本文又研究了图像梯度幅值分布特点,根据梯度幅值的右偏分布特性,采取双区间分别对梯度场进行均衡化处理.在区间阈值选取上,本文结合频率分布的数字特征,提出了区间阈值的两个选取准则并将梯度幅值合理地分为小梯度区间和大梯度区间.在目标梯度场复原过程中,本文提出矩阵变换法替代传统的"微分迭代法",减小了算法的时间复杂度.实验结果表明本文算法可使图像细节得到有效地增强.

离心铸造法制备陶瓷颗粒增强Al合金基功能梯度复合管

利用熔融Ａｌ合金基体与颗粒增强相（ＳｉＣ及 Ａｌ２Ｏ３颗粒）在离心铸造条件下所受的离心力的不同，再通过调整其 它的工艺参数，利用水平式离心铸造机制备了３种具有不同强化部位（外层强化、内层强化以及内外层同时强化）的功能梯度复合 管．颗粒的３种分布方式使复合管的微观组织及显微硬度呈现了相应的梯度变化．强化部位的多样化可为功能梯度复合管的应用 开辟新的领域.

颗粒增强铝基梯度复合材料的摩擦磨损性能

采用新型喷射沉积技术制备SiC体积分数呈连续分布（0-30%）的Al-Si基梯度复合材料,利用MG-2000型销-盘磨擦磨损试验机,研究不同滑动转速和载荷对该梯度复合材料摩擦磨损性能的影响。采用SEM和MHV-2000型维氏硬度计研究该梯度复合材料的显微组织、硬度及其耐磨性的梯度分布规律。结果表明：随着滑动转速和载荷的增大,梯度材料的摩擦因数逐渐降低;材料的磨损率随载荷的增加而增大,随滑动转速的提高先增大后减小,在转速500 r/min时达到最大;对比研究沉积态与热压态材料的摩擦磨损行为,喷射沉积态由于孔隙等缺陷的存在,其磨损形式主要是磨粒磨损和剥层磨损;热压后,梯度材料的磨损形式以磨粒磨损和粘着磨损为主;随基体中SiC含量的逐渐增加,锭坯各部分硬度和耐磨性也随之提高。

结合视觉感知特性的梯度域图像增强方法

常见的图像对比度增强方法在压缩图像整体动态范围的同时可有效地增强图像较暗处的细节,但图像中原较亮部分的细节往往得不到增强,甚至被削弱.针对人类视觉感知的特性提出了相对梯度的概念,首先在梯度域对图像原较亮处的梯度进行更大的拉伸,然后在最小二乘意义下重建出增强后的结果图像.通过将RGB图像变换到HSV彩色空间,将增强方法推广到彩色图像的处理中.实验结果表明,采用文中方法可有效地压缩图像的整体动态范围,同时原图像中较暗和较亮处的细节都得到了有效增强或保持.

梯度增强的弹塑性损伤非局部本构模型研究

简要介绍了几种主要的梯度增强非局部模型· 基于"能量耗散梯度依赖"原则,在连续介质热力学框架内推导了梯度增强损伤与塑性耦合的本构关系,同时给出了一个基于塑性的损伤模型的梯度依赖本构的具体形式· 在数值计算方面,结合移动最小二乘法和泰勒级数展开方法,建立了损伤场(有限元高斯积分点上)的Laplace值的近似求解格式,分别给出了二维和三维情况下的相关公式· 给出的二维的韧性断裂的梯度依赖损伤塑性的数值应用。

增强型轨道炮电感梯度及其影响因素

电感梯度对轨道炮性能有着重要影响。为了实现对增强型轨道炮电感梯度的数值计算,推导了电枢受力公式,介绍了二维时谐涡流场的控制方程,建立了计算电感梯度的二维有限元模型,对一种典型结构增强型轨道炮的电感梯度进行了精确计算,讨论了电感梯度受时谐分析频率和外轨道尺寸影响的规律,给出了不同影响因素下轨道内部电流密度和空间磁力线的分布图,并据此解释了电感梯度变化的原因。根据分析结果给出了增强型轨道炮的优化设计方案。

基于全变分Retinex及梯度域的雾天图像增强算法

为提高雾天图像增强的对比度并保持颜色恒常性,提出了基于全变分Retinex及梯度域的雾天图像增强算法。首先,采用高斯—赛德尔GS(Gauss-Seidel)迭代算法对基于Retinex的全变分能量泛函数进行求解,从而有效地保持颜色恒常性;其次,采用相对梯度与绝对梯度相结合的方式拉伸雾天图像较亮处的梯度,在全变分Retinex理论下重建增强后的雾天图像,并将该增强算法应用到彩色图像;最后,加权融合基于全变分Retinex增强算法与梯度域增强算法的增强结果,使得增强结果既能提高对比度又能保持色彩恒常性。实验结果表明,本算法提高了雾天图像增强后的对比度和清晰度,具有颜色恒常性、颜色保真高等特性。

陶瓷纤维梯度增强活塞的梯度方程研究

功能梯度材料零件具有单质材料零件无法比拟的理化性能优势,然而由于材料分布复杂以及对功能梯度材料本身性能研究不充分,使性能分析存在很多困难。论文应用复合材料热性能理论,采用有限元分析软件ADINA,分析陶瓷纤维梯度增强活塞(材料梯度方程的参数不同)的温度分布和应力分布,结果表明陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布,缓和由于热膨胀系数不匹配,在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力。根据计算结果拟合出温度峰值、整体应力峰值和层间应力峰值与方程系数之间的曲线,并加以验证。