基于模拟植物生长算法的桁架结构截面与形状优化分析

针对桁架结构优化问题,给出基于改进的生长空间限定与并行搜索的模拟植物生长算法(GSL&PS-PGSA)优化模型,对典型平面桁架、空间桁架结构分别进行截面优化及形状优化分析,结果表明:改进GSL&PS-PGSA算法的优化效果显著,其优化所得结构经济高效;对于平面桁架截面优化,相比二级优化法、相对差商法及连续变量法,改进GSL&PS-PGSA所得结构较其减少了8%~15%的用钢量;对于空间桁架优化,截面优化所得结构总质量较序列两级算法轻约8.1%,较蚁群算法轻约3.6%,而形状优化所得结构总质量则分别较序列两级算法、蚁群算法轻约31.2%、22.4%。因此,改进的GSL&PS-PGSA算法对桁架结构优化问题具有良好的适用性。

西瓜三维形态几何建模和真实感绘制技术研究

【目的】实现西瓜形态的数字化设计和生长的可视化模拟。【方法】提出一种基于B样条曲线的西瓜器官几何造型方法,并利用位置信息和茸毛生成技术描述器官的局部细节特征;依据西瓜器官的主要形态特征,提取器官几何模型的主控参数,参数具有较明确的农学意义,结合模板技术实现西瓜主要器官和植株三维形态结构的交互式设计;同时也可以根据西瓜植株拓扑结构发展规律,通过动态驱动参数化器官几何模型的方法实现植株生长的可视化模拟。【结果】本文提出的西瓜器官三维形态建模和植株结构交互式生成方法易于与农业知识结合,所重构的形态模型具有较好的真实感效果。【结论】文章提出的方法具有较好的普适性,为瓜果类作物三维形态的交互设计和形态模拟提供了实用的方法和手段。

基于L-系统的植物模拟研究

该文根据L-系统原理,通过改变参数L-系统和随机L-系统的参数,得到同一类植物的不同基因组合,利用计算机模拟生成了丰富多样的植物形态。又根据L-系统符号解释的扩展,模拟了类似棕榈的植物生长平衡过程。

抽水蓄能电站侧式短进出水口水力优化研究

结合某抽水蓄能电站的设计,对该侧式进出水口在不同工况下的流速分布、水头损失等水流特性进行了水力模型试验与三维数值模拟,并对原设计体型成功地进行了优化.数值计算采用RNGκ-ε模型,应用多子区域组合法求解,压力耦合计算采用SIMPLEC.研究结果表明,计算与试验结果吻合较好.通过对抽水蓄能电站侧式短进出水口分流墩、顶板和边墙等流道结构的体型优化,解决了在出流时流态分布不均匀与水头损失系数偏大的难题.

草莓三维形态几何建模与真实感绘制

为了实现草莓形态结构的三维可视化模拟,笔者提出了一种基于球B-样条的草莓器官几何建模方法,通过对草莓形态结构的观测分析,分别创建草莓茎、叶片、单花和果实等主要器官的几何模型,并提取了具有明确农学意义的几何模型参数;同时利用模板与纹理贴图等真实感渲染技术描述了草莓植株的局部细节特征,增加了模型的真实感。笔者提出的草莓三维形态建模方法易于与农业知识结合,且重构的形态模型具有较好的真实感效果,为草莓三维形态的交互设计和形态模拟提供了可用的方法和手段。

分形理论在植物形态模拟中的应用

在虚拟植物生长建模的可视化研究中,分形是其重要的理论基础。它利用自然景物本身存在的自相似性,通过多种分形造型方法对自然实体进行建模。根据植物形态学原理和计算机图形学技术,采用分形方法可绘制出形态逼真的植物。为此,介绍了分形的基本理论,并在VisualC++6.0中利用迭代法对几种经典的分形树进行了程序模拟;在此基础上,通过连续改变分形树的内部参数,模拟了植物的动态变化过程,产生计算机动画效果,有较强真实感。

二维L-系统的推广及在植物模拟中的应用

弯曲枝条的模拟是植物模拟的重要组成部分,L-系统是植物模拟的重要方法之一。如果用L-系统模拟弯曲的枝条,则需要大量的产生式。通过在产生式中增加弯曲符号以及描述弯曲程度的曲率函数得到了函数L-系统。利用函数L-系统模拟植物,在不改变产生式个数的情况下,通过调整曲率函数能够绘制出相同拓扑结构,但整体形态差异较大的植物;利用函数L-系统模拟具有弯曲枝条的植物,产生式简洁,同时在编程时,容易控制枝条的长度。

基于空间曲线理论的植物叶片形态模拟

利用空间曲线理论建立了植物叶片的形态模型。通过调整参数可以得到不同种类的叶片形态,并且随着叶片轮廓线长度参数的增加,叶片可以生长。首先根据叶片的轮廓线的特征构造曲率函数族和挠率函数族,通过解空间曲线的基本方程,绘制出半边叶子的轮廓线。再利用对称性得到另半边叶子的轮廓线。综合利用投影和仿射变换方法确定叶中脉曲线。通过Loop细分得到光滑的叶面。在曲率函数是分段幂函数的情况下,证明了二维叶片的生长方向总是沿着初始叶片的对称轴方向。通过仿真试验验证了本文算法的可行性。本文的方法可以绘制出复杂的叶子。

植物模拟组件的设计与实现(英文)

提出一种基于组件技术的植物形态模拟方法 .根据植物学原理和植物体的特有结构 ,设计了几何结构层、拓扑结构层、外形材质层和环境层四层组件 .文章详细介绍了组件库及不同类型组件的设计方法 ;依据这种植物形态模拟思想 ,开发了植物模拟软件“VPG -I” 。

自动化立体仓库出入库作业优化策略研究

针对U型轨道式堆垛机自动化立体仓库复合出入库作业调度,提出采用集中巷道作业、优化出入库调度的策略。首先,建立了改进的指派问题优化模型以减少堆垛机在U型弯道处的行走次数及作业时间;接着,指出采用匈牙利算法求解改进的指派问题模型;最后,建立了eM-Plant仿真模型进行仿真验证,仿真结果表明,与动态规划优化策略相比,采用提出的策略更能减少堆垛机工作时间,降低堆垛机的空载率,同时出入库台的堵塞率也能得到一定程度的降低。

基于改进模拟植物生长算法的多层可重构设施布局方法

在对模拟植物生长算法进行改进的基础上,建立了一种多层可重构设施布局方法。该方法引入了空间填充曲线来表征布局方案,可以实现任意两个设施之间的互换,确保设施不被分割;考虑了柔性面积需求、设施形状约束系数、电梯能力约束等因素,使获得的方案更加接近实际情况;建立了以物流成本和重构成本为绩效评价目标的多层可重构设施布局模型;对模拟植物生长算法进行了改进,在此基础上设计了多层可重构设施布局寻优改善算法,该算法具有设置参数简单、全局寻优、搜索速度较快等特点。最后用算例说明了该方法的有效性。

数字化核电厂班组SSA测度方法与实验研究

情景意识(SA)问题在数字化核电厂中更为突出。为识别班组共享情景意识(SSA)水平及行为形成因子(PSF)对班组SSA的影响,基于情景意识全面评估技术(SAGAT)建立一种班组SSA测量和计算方法并进行模拟机实验。结果表明,个体SA(ISA)水平与SSA水平有关,ISA级别越高,SSA级别越高;ISA和班组SSA都受到PSF的影响,PSF的状态水平越高,ISA和SSA的水平越高;对于不同的实验场景,操纵员的ISA水平和班组SSA水平不同,这表明风险场景的症状越明显及知识经验水平越好,ISA和SSA水平就越高。最后,通过被试的自评价识别当前PSF的状态水平,主要不良的PSF是班组沟通和合作水平、压力水平、人-机界面等。这些评估结果为提高数字化核电厂人因可靠性和安全水平提供了理论支持。

抽水蓄能电站侧式进/出水口隔墩布置对水力特性的影响

运用标准k-ε湍流模型和VOF两相流模型,对抽水蓄能电站侧式进/出水口、输水管道和部分上库进行了数值计算,分析了死水位条件下抽水和发电工况的进/出水口隔墩位置对进/出水口流速分布、流道分流系数、水头损失、墩头附近流速分布等水力特性的影响。结果表明:中隔墩后移对发电工况下各流道流速分布、分流系数、进/出口的水头损失几乎无影响;中隔墩后移可改善抽水工况下中隔墩两侧流道的过流流速均匀性和各流道流量分配的均匀性,降低进/出水口的水头损失,但中隔墩后移距离超过进/出水口扩散段起始断面宽度的0.3倍时,改善效果不明显;中隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.44~0.52倍,边隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.1倍,可实现墩头附近局部流速的相对均匀化;中隔墩后移扩散段起始断面宽度的0.5倍,边隔墩后移扩散段起始断面宽度的0.1倍,可实现抽水蓄能电站进/出水口水力特性的最优化目标。

侧向风对航空植保无人机平面扇形喷头雾滴飘移的影响

【目的】侧向风是影响植保无人机航空喷施雾滴飘移和作业效果的主要因素。探究航空植保喷施过程中侧向风对雾滴沉积和飘移的影响,为植保无人机航空喷施作业参数的选择和作业关键部件的改进提供数据支持和理论指导。【方法】以常用平面扇形喷头Lechler系列的LU 120-015和LU 120-03标准压力喷头为研究对象,基于计算流体力学离散相模型的粒子跟踪技术,在适宜的边界条件下对喷施作业过程中风洞内雾滴流场和农药喷洒离散相进行模拟试验;通过仿真模拟对平面扇形喷头喷施的雾滴沉积和飘移分布情况进行可视化分析,探究雾滴粒子在不同侧风风速条件下的飘移特性;在农业航空专用风洞中,采用近似条件对雾滴的沉积飘移特性进行试验验证和分析。【结果】仿真模拟结果表明,随着侧向风速的增加,离散相雾滴粒子飘移程度越严重,雾滴水平飘移越明显。随着侧向风速的增加,模拟离散相雾滴粒子的准确沉积率(R_(a))呈指数下降,由14.11%下降到0.66%;水平飘移率(R_(h))呈线性增加,由14.25%增加到60.58%。风洞试验结果表明,在侧风风速分别为1、3和6 m/s的条件下,雾滴的Rh分别为0.4%、48.1%和75.1%,且雾滴在风洞内部会随着侧风风速的增加发生一定程度的卷扬现象。仿真模拟与风洞测试试验的Rh具有显著相关性(R^(2)=0.963,P<0.05)。【结论】仿真模拟对航空喷施条件下的雾滴飘移具有较好的预测效果;采用仿真模拟辅助风洞试验测试的方法,可以比较准确地得出航空植保无人机作业中常用平面扇形喷头的雾滴沉积与飘移情况。

溢流表孔Y型宽尾墩与消力塘联合消能数值模拟

基于果多水电站,采用标准双方程紊流模型,结合VOF模型追踪自由表面,对几何模型进行分区处理及采用非结构化网格进行网格剖分,对Y型宽尾墩窄缝消能与消力塘联合消能泄流场进行了三维数值模拟。通过模拟,得到了泄流场整体流态,并对溢流表孔中线X向和Y向流速分布、消力塘内流速分布、溢流面和消力塘底板的压强分布进行了研究。经2016年4月至2016年11月过流情况的监测,大坝溢流表孔实际水流流态、消力塘水位等特征参数与数值计算结果基本吻合,计算结果较为理想。

船舶动力装置复杂形状零部件CAE智能仿真研究

针对船舶动力装置复杂形状零件模型应用性差的缺陷,研究船舶动力装置复杂形状零件CAE智能仿真方法。利用CAD软件设计船舶动力装置复杂形状零件的几何模型,依据CAD模型数据构建零件的CAE分析模型。CAE软件通过前处理部分定义零件模型的单元属性与材料属性,利用信息元理论划分完成属性定义模型网格,对完成划分后的模型网格实施加载与求解,利用后处理过程分析求解数据,分析结果传送至船舶动力装置模型库内,通过图表方式输出仿真分析结果。仿真测试结果表明,该方法有效构建船舶柴油机曲轴的CAE模型,获取施加10 kN扭转变形力后,柴油机曲轴的受力结果,所构建模型应用于柴油机实际运行时,仿真压力输出结果与实际压力吻合度高。

基于模拟植物生长算法的B样条蒙皮自由曲面薄壳结构形态优化方法研究

为了寻求既满足建筑美学又具有良好受力性能的结构形态,根据模拟植物生长算法(PGSA)基本原理,在生长空间限定与并行搜索的模拟植物生长算法(GSL&PS-PGSA)基础上提出一种变步长并行搜索机制,从而形成生长空间限定与变步长并行搜索的模拟植物生长算法(GSL&VPS-PGSA),并将其引入自由曲面薄壳结构形态优化领域。基于B样条蒙皮法,由若干型值点进行B样条曲线重构,并调整曲线的型值点数、阶次及节点向量,得到具有相同属性的一簇截面控制曲线,再通过蒙皮法将截面曲线拟合为初始自由曲面。以此为基础,以B样条曲线的型值点坐标为设计变量,以结构整体应变能为优化目标,采用GSL&VPS-PGSA优化算法得到造型和受力性能相协同的自由曲面薄壳结构。由方形拱壳及复杂曲面结构算例分析结果表明:B样条蒙皮法通过参数化建模可创建任意形状且光滑的自由曲面,且其型值点、阶次等形状控制参数为进一步的形态优化提供了条件;GSL&VPS-PGSA引入变步长并行搜索机制能较简洁地控制解的精度,并大大提高算法效率,与遗传算法、逆吊法相比,该算法优化效果更具优势;所建立的形态优化方法,能获取以承受薄膜应力为主的合理结构形态,并适用于多变量、复杂约束条件,以及有限元网格划分精细的大规模自由曲面实体结构的形态优化问题。

抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配,规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不超过10%,但实际工程设计难以达到此要求。本文以某抽水蓄能电站上水库侧式进/出水口为例,通过改变进/出水口各体型参数,利用三维紊流数学模型,重点研究了扩散段分流墩中边孔道宽度比、扩散段分流墩中墩墩头位置、扩散段长度等体型参数对各孔流量分配的影响。研究表明,对于4孔流道的侧式进/出水口,调整扩散段分流墩中边孔道宽度比、中墩墩头较边墩墩头缩进距离、扩散段长度,能有效改善流量分配不均匀程度,但相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足小于10%的要求。其他体型参数,例如圆变方渐变段长度,对流量分配不均匀程度的改善作用较小。研究成果对侧式进/出水口的设计具有指导意义。

抽水蓄能电站竖井式进出水口水力试验研究及数值模拟

竖井式进出水口在抽水蓄能电站上库的应用和研究情况在国内较少。本文结合某抽水蓄能电站上库模型试验任务,利用模型试验及数值计算方法,对某体型进出水口的发电和抽水各种工况下的进出水口流速分布、水头损失、旋涡等水流特征进行了分析研究。从堰型和防涡梁角度进行了体型优化,提出了阶梯防涡梁的优化体型。该研究内容,对于双向水流的流道研究,具有重要的参考价值。

基于模拟植物生长算法的自由曲面空间网格结构形状优化方法

针对自由曲面空间网格结构形状优化问题,将模拟植物生长算法(PGSA)引入结构形状优化领域。根据PGSA基本原理,提出双生长点并行生长机制、迭代稳定性判断机制及增强型随机多向搜索机制,并和基于生长空间限定与并行搜索算法(GSL&PS-PGSA)相结合,建立了基于融合GSL&PS-PGSA的自由曲面空间网格结构形状优化方法。该方法以广义形状参数表征形状优化设计变量,可有效避免产生奇异结构并提高优化效率。在此基础上,给出了相应的形状优化模型及流程,并采用MATLAB及ANSYS二次开发语言APDL编制了优化程序。对典型合理拱结构曲面及自由曲面网壳结构进行算例分析,结果表明:所提出的PGSA新机制显著提升了算法的寻优能力及稳定性;基于融合GSL&PS-PGSA的自由曲面空间网格结构形状优化方法,其优化效果明显,发掘了结构的合理形态,改善了结构的受力性能,适用于多变量、多荷载组合及复杂约束的大规模自由曲面空间网格结构形状优化,为复杂形体空间结构的设计选型提供了新的途径。