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)).

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。

“苹果树”型拓扑结构的《有机化学》创新教学设计

本文针对目前本科化学化工等相关专业学生在《有机化学》学习过程中存在的一些问题,注重课程的逻辑性和知识的系统性,提出了“苹果树”型拓扑结构的《有机化学》课程教学设计,采用分析和对比结构的教学方法,理论与实践有机结合,课程思政无声融入。这种创新的教学设计,教师作为引导者出现,激发学生兴趣,引导学生思考,提高学生分析和解决实际问题的能力,使学生真正成为教学的主体。

考虑宏观结构性能的多材料微结构拓扑优化设计

多孔微结构材料以其质量轻、比刚度/比强度高、抗冲击等优异力学性能,被广泛应用于航空航天等工程领域。相比单一材料设计,多材料设计可获得力学性能更优的微结构拓扑构型。拓扑优化是实现多材料布局设计的有效方法之一。通过构建基于差集的多材料水平集描述模型和交替活动相算法,提出了基于参数化水平集的多材料微结构拓扑优化设计方法。首先,构建了基于差集的多材料水平集描述模型,利用N个水平集函数实现N+1相材料拓扑的精确描述。然后,引入交替活动相算法,将原始N+1相多材料优化问题分解为N(N+1)/2个双相材料优化子问题,以减少设计变量与约束条件,提高计算效率。最后,采用均匀化方法计算多材料微结构的等效弹性张量,以宏观结构柔度最小化为优化目标,各相材料用量为约束条件,构建多材料微结构拓扑优化模型,并利用优化准则法实现上述优化模型的高效求解。数值算例结果表明,所提方法可有效实现多材料微结构的拓扑优化设计,所设计微结构均具有光滑的结构边界和清晰的材料界面。

动车前端承载结构拓扑优化及车体动态承载极限分析

使用OptiStruct软件,对车体前端承载结构进行拓扑优化,以体积分数为约束,以最小应变能作为优化目标,通过优化结果对车体前端骨架结构进行重新排布。对优化后的车体在车钩安装座、前端吸能结构及防爬器三个不同位置加载,完成刚性墙对车体冲击过程仿真。对车体在冲击过程中冲击力-时间曲线和不同时刻应力分布进行分析,得到车体弱刚度区域,通过应力变化临界点确定车体承载极限。对弱刚度区域不同组件的能量-时间曲线与上述承载极限结果进行验证。结果表明,优化后车体前端刚度大幅提升;在车体承载极限内,不同位置加载对车体承载极限影响较小;通过弱刚度区域各不同组件的能量-时间曲线可以准确地找到车体承载极限达到临界点的时刻,为车体动态承载极限提供数据分析。

基于Creo和Inspire的工业机器人末端执行器结构拓扑优化设计

为了在不降低力学性能的情况下实现轻量化设计,在对某工业机器人末端执行器的手指结构的使用工况和边界条件进行分析的基础上,利用Creo 7.0软件完成该手指结构的三维建模,借助Altair Inspire 2020软件先进的有限元优化求解器对手指结构在设定条件下进行拓扑优化设计和结构强度校核,在兼顾制造工艺的基础上获得手指结构的最优设计方案。拓扑优化后的手指零件质量减小了43.85%,使用上述方法进行产品结构设计,在第一时间就能实现降低开发成本、缩短产品开发周期、减少材料消耗和减轻产品重量。

基于应力约束和启发式算法的建筑钢筋混凝土桁架结构拓扑优化方法

为了解决建筑钢筋混凝土桁架结构承载力较低的问题,文章提出了基于应力约束和启发式算法的建筑钢筋混凝土桁架结构拓扑优化方法。建筑钢筋混凝土桁架结构设计变量过滤处理为后续计算提供基础。根据轴心受力构件计算标准,构建应力约束条件。使用启发式算法中的组合优化方法,在MATLAB软件完成建筑钢筋混凝土桁架结构拓扑优化。试验结果证明:此方法具有较高的计算能力,可提升桁架结构的应力承载力至70.251J,得到最优优化结果。

高压大容量储能功率转换系统的拓扑结构比较

高压大容量储能功率转换系统的主电路是储能电池进行充放电控制的基础,选择合理的功率转换系统主电路拓扑结构直接关系到高压大容量储能系统实际应用的可行性。分析变压器升压型变流器并联结构、H桥链式多电平变流器、全(半)桥模块化多电平变流器的单级式与双级式主电路拓扑结构,对比上述拓扑结构的材料成本、工作可靠性、材料功率损耗和输出电能质量。基于数学模型与仿真分析综合比较单位容量投资成本、工作可靠性、系统损耗和输出电能质量,结果显示H桥链式多电平变流器和半桥模块化多电平变流器更适合构建10 kV兆瓦级高压大容量储能功率转换系统。

基于拓扑优化方法的蛛网散热结构均温性研究

仿生蛛网散热结构在高热流密度芯片散热方面有着广泛的应用,但仍然存在散热结构温度分布不均的问题。为进一步提升蛛网散热结构的温度均匀性,提出利用变密度拓扑优化方法对蛛网结构进行优化设计。以设计域温度方差最低为目标函数,采用霍尔姆兹密度过滤保证求解的数值稳定性,采用双曲正切投影保证清晰的流道形态,通过分析不同进出口布置和不同设计域形状下得到的拓扑流道的传热性能,发现多入口多出口且交错布置的方式能有效提高拓扑流道的均温性,且设计域边数在十以内其拓扑流道均温性呈上升趋势。最后,通过有限元分析的方法,对传统结构M1和不同设计域边数的三维拓扑重构结构M2、M3进行模拟仿真。结果表明,设计域边数为十的M3温度均匀性优于传统通道M1和设计域边数为六的M2,在Re=1800时,M3热阻相比于M1降低了18.48%,热源面温差相比于M1降低了25%,综合传热性能评价因子PEC值达到1.22。本研究提出并验证了拓扑优化方法在提升蛛网散热结构均温性方面的有效性,有助于推动拓扑优化方法在散热结构上的应用。

声表面和拓扑缺陷结构对换能器耦合振动系统的声波调控

如何对复杂功率超声换能器耦合振动系统的声波进行调控,设计高性能的换能器系统,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,在换能器系统内部引入各种缺陷,可以在一定程度上改善换能器耦合振动系统的性能.但损耗大、频带窄、对结构参数敏感等缺点限制了缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的进一步实际应用.为了改善缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的局限,有效降低能量损耗,提高能量传输的效率,本文在换能器耦合振动系统内引入既具有能量局域化效应的拓扑缺陷结构,又具有高能量传输效率的声表面结构.通过灵活设计声表面结构和拓扑缺陷的几何尺寸参数,可以对换能器耦合振动系统的振动进行有效调控,从而满足换能器耦合振动系统功能方面的不同需求.但表面结构和拓扑缺陷结构的设计参数过多,会成倍地增加设计的复杂度,大幅降低设计成功率,为此,利用数据分析技术建立了系统性能预测模型,不仅可以提高设计效率和成功率,还能够为换能器耦合振动系统性能的调控提出客观和准确的依据.

荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征

[目的]认识人工柠条种植对土壤生态过程的影响,从而为人工植被的管理提供科学依据。[方法]以宁夏盐池县典型荒漠草原区风沙土生境的草地(0 a)及9,14,24,35 a生人工柠条林为对象,分别进行原状土柱采集、CT扫描及图像处理分析,获取土壤大孔隙几何分布特征,量化大孔隙表面积、等效直径和连接度等拓扑结构参数,研究了柠条生长过程中土壤大孔隙演变特征。[结果]通过三维图像可以看出,和0 a样地相比,随着林龄增加,各样地在0—200 mm土层大孔隙数量明显增多且结构更加复杂。定量分析表明,和0 a样地相比,不同林龄柠条林地在同一土层,大孔隙数量密度、长度密度、等效直径、连接度之间差异显著(p<0.05),而表面积密度、体积密度无显著差异(p>0.05)。具体表现为在0—100 mm和100—200 mm土层大孔隙数量密度、长度密度均显著增加(p<0.05),且随着林龄增加,表层土壤(0—100 mm)增幅要大于深层土壤(100—200 mm);等效直径在0—100 mm土层显著减小,在100—200 mm土层显著增加(p<0.05),而连接度变化规律恰好相反。进一步分析发现,林龄与大孔隙数量密度、长度密度、表面积密度呈显著正相关(p<0.05),与大孔隙等效直径呈显著负相关(p<0.01),与大孔隙体积密度差异不显著(p>0.05)。[结论]人工柠条林的引入会促进土壤大孔隙致密网络状结构形成,改善大孔隙表面积、连接度等拓扑结构,且随着林龄增加,对土壤改良效果越明显。

考虑材料参数不确定性结构动力学稳健性拓扑优化设计

本文在考虑材料参数不确定性的条件下,对连续体结构动力学稳健性拓扑优化设计进行研究。在使结构的第一阶固有频率最大化的同时,显著减小其对材料性能不确定性的影响。基于非概率凸集模型,将材料参数的不确定性用有界区间变量表示;建立了能够抑制频率改变的结构动力学拓扑优化模型,用单层优化策略求解稳健性优化设计问题。通过对材料参数的导数分析,获得了在材料性能不确定情形下结构第一阶固有频率的二阶泰勒展开式,并推导出了频率对拓扑变量的一阶灵敏度显性表达式。基于变密度法,开展了结构动力学稳健性拓扑优化设计,并与确定性优化结果进行对比,验证了用本文方法获得的结构第一阶固有频率稳健性更高,受材料参数不确定性扰动影响更小,展示了考虑材料参数不确定性的重要性。

基于传力路径的接骨板结构拓扑优化设计

目的 提出一种相对于传统拓扑优化方法能有效降低应力集中,并进一步提高断骨愈合效果的接骨板拓扑优化设计方法。方法 依据接骨板在断骨-接骨板系统中的载荷约束条件,采用改进的基于传力路径的拓扑优化方法对接骨板结构进行优化设计。随后采用基于偏应变的骨再生模拟模型,对胫骨骨干横向骨折情况进行骨再生模拟,依据骨再生过程数据对优化接骨板的受力状态、固定稳定性及愈合性能进行评估。结果 使用基于传力路径优化方法的优化接骨板在体积分数f=0.55、0.65时,接骨板最大应力分别为55.68、42.23 MPa,相较于传统拓扑优化方法优化接骨板分别降低32.96%、29.95%;骨愈合过程后骨痂平均弹性模量分别为1 439.47、1 355.71 MPa,相较于传统接骨板分别提升145.86%、131.06%。结论 提出的改进基于传力路径的拓扑优化方法,可以用于接骨板结构优化设计,优化后接骨板相比传统拓扑优化方法优化接骨板受力更加均匀,使用安全性更高,骨愈合性能相较传统接骨板有明显提升。研究结果为骨折内固定植入物的优化设计提供了一种新思路和方法。

基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法

随着并联机构从单一尺寸设计和拓扑设计向两者融合方向不断发展,基于拓扑叠加-再惩罚和全变量正交设计-再拓扑的同步设计方法得到广泛应用,但两者存在设计效率低等不足。为解决上述问题,本文提出了一种基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法,该方法拓扑优化时以相同质量保留此条件下尺寸参数小范围变化对拓扑结构微弱影响为切入点,通过拓扑结构参数化缩放和刚度-质量元模型构建,形成并联机构尺寸-拓扑同步高效设计流程。以典型■RS并联机构为例开展算例验证与对比分析,结果表明,相同质量条件下,所提设计方法比尺寸设计方法得到的各向刚度更高,即拓扑优化使RS连杆的材料分布更加合理。

噻吩基二维共价有机框架中的拓扑结构诱导局部电荷极化促进光催化制氢

共价有机框架(COFs)是近年来新兴的一类多孔聚合物,在气体吸附、传感器、能源转换和光/电催化等领域表现出较大的应用潜力.然而,欲实现多样化的应用需求常需要对其结构进行合成后改性,这在单一步骤中难以实现.二维亚化学计量共价有机框架(2D-SSCOFs)因其独特的周期性官能团和保持结晶性及孔隙率的能力,成为COFs功能化的新途径.然而,已报道的2D-SSCOFs多具有相同的拓扑结构以及弱电荷极化等问题,限制了其应用潜力.因此,开发具有新颖拓扑结构的2D-SSCOFs对于实现更前沿的功能至关重要.窄带隙噻吩是有机半导体材料的常见单元,它们可以显著地调控共价聚合物骨架的电子和化学环境.本文通过5,5',5''-(苯-1,3,5-三基)三(噻吩-2-甲醛)(TT-3CHO)与4,4',4'',4''-(芘-1,3,6,8-四基)四苯胺(PY-4HN2)的席夫碱缩合反应合成具有大表面积和高结晶度的亚胺连接的新型2D-SSCOF(PTT-COF).噻吩环中2,5位之间的键的弯曲角度使得PTT-COF具有新型的2D亚化学计量拓扑结构,并呈现出非中心对称的优势极化结构.在使用有机空穴传输配体(二茂铁甲醛,FC)精确修饰和Pt作为助催化剂时,PTT-COF-FC体系在可见光照明下表现出较高的析氢产率(79.610 mmol g^(-1) h^(-1)).同时,在420 nm波长的光照下,2 mg的光催化剂表观量子效率达到1.72%.此外,经过24 h循环稳定性测试,PTT-COF-FC体系的活性没有明显下降.为了深入研究PTT-COF-FC体系的高效的产氢机制,通过X射线衍射、红外和固体碳谱等对PTT-COF-FC体系的组成和结构进行分析,确定了PTT-COF-FC的成功合成.通过瞬态吸收、变温荧光和理论计算等研究了材料的激子解离和载流子转移行为.结果表明,得益于独特的富含噻吩的结构设计以及有机空穴传输配体的修饰作用,PTT-COF-FC展现出高效的激子解离和丰富的自由电荷载流子特性.综上所述,本文设计和合成了一种新型PTT-COF光催化材料,其独特的二维亚化学计量拓扑结构和显著的局部电荷极化特性赋予了材料良好的光催化性能.实验和理论研究表明,PTT-COF中的非中心对称拓扑结构和噻吩单元的引入,有效扩展了π离域,进而诱导了局部极化并抑制了激子效应,从而大幅提高了光催化效率.此外,通过二茂铁甲醛的后修饰,结合这些独特的结构特性,PTT-COF在光催化析氢反应中表现出高活性和出色的长期耐久性.本文的研究不仅为设计和构建具有独特结构的新型2D-SSCOF提供新思路,也为构建具有丰富光催化功能的材料开辟了新途径.

多区域变参数功能梯度结构拓扑优化方法

为了在构件中构造形态多变和性能各异的功能梯度结构,提出一种多区域变参数的功能梯度结构拓扑优化方法,在保证构建结构单元连续性的同时,构建了多区域变参数的功能梯度结构。将设计域划分为多个区域,采用Helmholtz PDE方程对每个区域的密度变量进行过滤处理,然后施加不同的局部体积约束;将局部约束整合到传统变密度拓扑优化方法中,达到了不同区域生成不同功能梯度微结构的效果,同时区域之间的结构保持了良好的连续性。最后,通过悬臂梁和简支梁多区域功能梯度结构拓扑优化设计和制造,验证了所提方法的有效性。

时域动载荷作用下多微结构多尺度并行动力学拓扑优化

采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,可以获得具有优良力学性能的结构设计。该文面向多晶胞双尺度结构的时域动刚度最优设计问题,考虑不同晶胞间的可连接性,并行设计微结构的构型及其宏观布局。首先,引入双Helmholtz平滑-分块投影方案,识别不同多孔材料的宏观结构域。其次,通过均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,利用有序SIMP(soid isotropic material with penalization)方法优化不同微观结构的宏观布局。同时,为了保证不同晶胞间的可连接性,在不同多孔材料微结构的边界区域设置为相同拓扑描述的可设计连接域。然后,基于先离散-后微分的伴随敏度分析方法,实现了时空离散动力系统的一致性敏度计算。最后,以双尺度结构动柔度最小化为目标,以材料用量为约束条件,提出了时域动载荷作用下多微结构多尺度并行动力学拓扑优化方法。数值算例结果表明,提出的优化方法能够实现多晶胞结构的构型与宏观布局设计,充分提高了多孔结构的承载性能,同时保证不同晶胞之间的几何连续性,研究结果可为高承载多孔材料结构设计提供理论参考。

导轨结构化表面的拓扑磨削的仿真研究

为磨削出机床滑动导轨结构化表面,依据刮研导轨表面的技术要求,提出方形、菱形和月牙形3种导轨花纹;依据25 mm×25 mm导轨表面上的高点个数和面积占比的限定,设计出机床滑动导轨的结构化表面;根据磨削导轨结构化表面的创成条件,建立结构化表面与结构化砂轮间的拓扑映射矩阵,设计相应的结构化砂轮;通过MATLAB进行磨削运动学仿真获得磨削参数对表面形貌的影响规律。研究结果表明:合理选取砂轮转速、工件进给速度和磨削深度等参数,采用拓扑磨削的方法可以在工件表面磨削出满足导轨表面要求的结构化表面;随着磨削深度的增大,导轨花纹长度与宽度增大,高点所占面积比减少。

顾及拓扑结构的道路标线提取

道路标线是重要的交通标志信息,车载激光雷达点云为道路标线的提取提供了高精度的三维坐标和反射强度信息。由于扫描距离、目标材质等因素影响,不同目标会表现为相近的强度值,给道路标线的提取带来干扰;道路使用过程中的磨损老化会破坏标线原有的结构,造成标线提取后出现间断不连续问题;此外,道路标线种类多样且实际中出现的概率不同,导致分割网络提取结果中样本较少的类别分类精度较低。为此,本文提出了一种可准确提取各类标线并具有拓扑稳健性的分割+分类两阶段提取方法。首先,使用多层感知机自适应学习强度与其影响因素之间的关系,对路面点云进行强度改正;然后,提出链式空间拓扑网络LST-Net对道路上的所有标线进行语义分割,引入行列卷积、注意力机制捕捉标线结构信息,加入拓扑惩罚对其训练,确定标线的位置;最后,使用YOLOv5对标线进行检测,单独训练分类网络,解决分割中样本不均衡的问题,完成对标线的分类。在不同场景的3份车载点云上进行试验,结果表明本文方法标线提取精度达到94.1%,召回率达到95.6%,具有较强的实用性和有效性。

轻质隔声夹层板结构声振耦合拓扑优化

为了满足夹层板结构轻质及隔声性能优化需求,提出了一种基于线性材料插值模型的三场浮动投影动力学拓扑优化方法,进行夹层板结构声振耦合拓扑优化设计。首先,结合混合位移/声压(u/p)有限元格式和线性材料插值模型,解决多场耦合界面依赖性问题和低密度区域局部模态问题;其次,面向三维轻质夹层板结构声振耦合特性,建立以隔声性能最大化为目标,轻量化体积分数为约束的优化范式;第三,依托阻抗管隔声性能试验场景,对三维夹层板结构有限元数值模型进行拓扑优化设计,并结合阻抗管试验验证方法的准确性和有效性;最后,将所得优化构型与常见夹层板构型的隔声性能进行对比。研究结果表明:采用所提方法可获得性能优越的新颖拓扑构型,1100~1300 Hz优化目标频段对应的优化目标隔声性能即传声损失总值从197.62 dB提升到205.09 dB,且数值仿真结果与试验结果吻合良好。在结构同等质量下,优化目标频段拓扑构型的隔声量性能优于常见开孔/闭孔矩形蜂窝状、蜘蛛网状夹层板结构的隔声量性能。