航天动力系统分析软件发展途径思考

航天动力系统分析软件是推进航天技术发展的重要基石,但目前国内相关软件与国外前沿还存在较大差距,亟待明确我国高水平自主可控的航天动力系统分析软件的发展方向。首先对大型通用分析软件的发展历程进行了系统梳理,剖析了其发展趋势;并进一步分析了航空发动机领域中使用的典型分析软件发展规律与特征;通过借鉴上述软件的研发经验,结合目前航天动力系统分析软件的发展现状,提出了我国相关软件的发展方向与发展途径。研究建议,分3个阶段逐步突破具有航天动力特色的通用仿真平台开发、软件模型与求解器研发、数据融合与管理这3大方向,最终形成多领域、多物理场、多维度、智能化并集成数据融合管理的航天动力系统智能化分析软件体系,为我国航天技术的稳健发展提供有力支撑。

基于关系的函数题目自动解析和解答方法

关系表示作为数学题目解答的基本问题而广受关注,而对于含有函数的题目解答,由于函数关系本身的复杂性以及表达方式的多样性,使得该问题超出了现有解题范围,为解答提出了新的挑战。针对这一问题,提出一种基于关系的自动解析和解答算法。扩展关系表示方式使其满足函数关系表示与计算的需要;通过改进句法语义模型和提出图形关系模式分别从文字和图形中提取关系;根据函数的模型化定义识别和提取函数关系;利用函数关系与数量关系进行等量代入,消除参数得到解答结果。对采集的数据集进行验证,与基于框架的基线方法相比较,该算法能够获得较好的结果,有效完成了83%的题目理解和66%的正确解答率。

基于FastCAE的油气藏模拟黑油模型仿真分析应用

在油藏数值模拟领域,黑油模型是最为成熟和广泛应用的模型,成熟地掌握黑油模型的求解、仿真模拟技术对于油气田开发生产具有极强的现实意义.为了加强对石油渗流规律的认识,本文首先通过Python语言实现了黑油模型,并通过Bendiksen、W&G、MAE三种算法进行对比;其次,使用Pyinstaller封装技术将Python语言模型转换成.exe格式的黑油模型数值求解器;最后,将.exe格式的黑油模型求解器引入到FastCAE开源平台中,实现油田场景下可使用的黑油模型的模块化开发.

管理科学与工程专业建模优化实践课程建设探索

进入数字经济时代,业界将运筹优化技术更广泛地应用于生产和管理中,对管理科学与工程类专业学生的建模与优化的实践能力提出更高要求。该文分析我国管理科学与工程学科排名前50高校的相关专业培养方案,发现大部分学校侧重运筹学理论基础的教学,缺少建模与优化的实践课程。该文从业界需求和运筹学课程体系建设出发,结合教学实践,讨论建模优化实践课程的建设目标、课程内容、教学方法。建模优化实践课程的内容包括优化软件(通用求解器)的使用、管理科学与工程常见优化问题的建模,以及求解优化模型的精确/启发式算法;采用课堂上机练习、课程报告等方式,促使学生较快上手优化软件,提升学生发现优化问题、建立优化模型、编程求解模型的能力。通过建模优化实践课程的建设,形成管理科学与工程专业运筹优化类课程“基础理论+应用实践”的培养模式,弥合数字经济时代业界人才需求与高校人才培养之间的差距。

基于FluxNet的热传导方程反问题的求解器

热传导偏微分方程的求解是工业应用中一种重要的计算,为了解决传统的热传导方程正演运算耗时过长的问题,提出一个基于新型的网络结构FluxNet的求解器。通过热传导方程的正演运算获得关于温度场分布图以及对应的热流密度图的数据集,基于深度学习训练该数据集,建立一个具有卷积层和反卷积层的热流密度网络结构FluxNet模型。使用该求解器预测数据以及实际数据的热流密度图进行测试和验证,实验结果得出该求解器预测的热流密度结构相似度均达到90%以上,达到了工业应用需求。

面向众核CPU的稠密线性求解器性能评测与优化

稠密线性求解器在高性能计算和机器学习等领域扮演着重要的角色。其典型的并行算法实现通常构建在著名的fork-join或task-based编程模型之上。尽管采用fork-join模型的主流稠密线性代数库能将大部分的计算转移到高度优化、高性能的BLAS 3例程上,由于fork-join不灵活的执行流,它们仍然未能高效地利用众核CPU的计算资源。采用task-based编程模型的开源库能实现更加灵活、负载更均衡的算法,因此能获得明显的性能提升。然而,在众核CPU平台上,尤其是对于中等矩阵规模的问题而言,它们仍然有较大的优化空间。对稠密线性求解器的性能进行了全面的测评,以定位性能瓶颈,并提出了2种优化策略,以提高程序性能。具体地,通过重叠LU分解和下三角求解的计算过程,减少同步开销线程的空等,从而提高算法的并行性;进一步通过减少冗余的矩阵打包操作,降低算法的访存开销。分别在2个主流的众核CPU平台(Intel®Xeon Gold®6252N(48核)和HiSilicon Kunpeng 920(64核))上进行了性能评估。实验结果表明,该优化的稠密线性求解器在上述两个CPU平台上,相比最佳开源实现分别取得了10.05%(Xeon)和13.63%(Kunpeng 920)的性能提升。

基于序列公式树模型的电学问题解答方法

自适应理解和求解语义多变的问题文本是机器解答电学问题的关键挑战,现有方法多侧重于问题文本的语义分析和结构分析,无法将问题文本解析为类人解答的求解形式。为此,构建一种基于序列公式树模型的电学问题解答方法。首先通过问题文本预处理标准化文本元素、关系提取,生成预编码序列和直陈关系序列。其次使用双向门控循环编码器对预编码序列进行特征编码,生成隐藏状态序列。再通过构建电学定理图,使用图卷积神经网络(GCNN)编码器建立直陈关系序列和定理之间的关联关系,将定理图中的关系结点转化为向量表示,生成公式结点嵌入状态序列,并提取不同变量之间的隐含电学关系。最后构建树形结构的解码器对隐藏状态序列和公式节点嵌入状态序列进行解码,形成问题的序列-公式树结构的求解式,实现电学问题的可读解答。构建一个包含3027个电学问题的数据集TexPE-3K,并对其进行标准化和信息标注。在数据集TexPE-3K上的实验结果表明,关系提取的平均准确率达到了96.8%,可读解答的平均准确率达到了55.57%,验证了该方法的可行性和有效性。

门座起重机组合臂架结构的快速建模方法

针对门座起重机组合臂架四连杆结构变幅运动过程,基于空间运动机构的结构分析方法,提出一种脱离计算机辅助工程(CAE)前处理器的快速建模方法.重点研究组合臂架的四连杆结构有限元模型,通过从该结构几何模型中抽取模型参数,模拟在通用CAE平台上的手工建模流程,完成该结构在变幅运动过程中各幅度位置的参数化多模型建模.基于通用求解器NX Nastran,完成12-40.5/25 t某型号门座起重机的四连杆臂架结构的实例应用,验证了快速建模方法的可行性.与应用其他建模方法的系统相比,独立的快速建模系统具有建模效率高、模型质量好的优点.

基于并行化直接解法的频率域可控源电磁三维正演

电磁法的三维数值模拟是一个对数值算法和计算机硬件要求都非常高的问题.对常用的微分类方法如有限单元法和有限差分法而言,求解最后所得的大型线性方程组是至关重要的一步,直接影响到正演算法的实用性.如何高效、稳定且准确地解线性方程长期以来一直是被探讨的问题.本文实现了基于线性系统直接求解技术的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演.使用交错网格有限体积法(FV)来离散化关于二次电场的Helmholtz方程;使用直接解法取代传统的迭代解法来求解离散线性系统,即对系统矩阵进行完全LU分解,具体通过调用大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)来实现.基于理论模型做了一系列数值实验,首先证明了直接解法的高精度和稳定性,并考察了其内存需求、计算时间和并行可伸缩性等主要计算性能,最后检验了所开发的算法快速模拟多场源CSEM问题的能力以及对常规海洋和陆地CSEM模拟的有效性.

基于约束的离线式建模求解器的研究与设计

针对在线式产品建模方法的局限性及其在工程中遇到的问题 ,首次论述了用于工程哑图变动设计的离线式建模求解器的设计思想、算法设计及其实现的方法。

航行器水中运动数学模型及数值仿真

根据水下垂直发射航行器水中运动的特点,利用质心运动定理和绕质心的动量矩定理,推导建立航行器水中运动的运动学模型和动力学模型。采用Matlab软件中的ODE解算器,对建立的数学模型进行数值仿真,得到航行器水中运动的速度和姿态角。

基于“全国一张网”的天然气管输优化模型构建及应用

流向分析和输量配置是天然气管网规划的基础。在管网独立背景下,天然气管输体系逐渐形成“全国一张网”格局,各路资源和市场需要纳入全国管网统一优化调配。“全国一张网”涵盖原中国石油、中国石化、中国海油和省网公司的天然气管网,系统十分复杂,传统的管网流向分析和输量配置方法效率不高,难以适应全国级大规模、复杂管网系统分析要求。以天然气供应和管输环节总成本最低为目标,建立了天然气管网输量规划优化数学模型,并选用Gurobi求解器计算,通过资源和管输定量分析,可优化未来15~50年全国天然气管输流向,预判局部堵点,分析规划管道建设时序,提升管网布局规划效率,为天然气管网规划的科学决策提供了先进工具。

优化计算的神经网络模型

优化计算的动态求解器对于一些需要进行实时分析决策的场合具有很高的实用价值，利用神经网络来进行这方面的研究已经引起了广泛的重视。本文介绍了目前国际上具有代表性的几种优化计算网络模型，以及它们的实现方法和存在的问题。

基于碰撞模型的LED代数旁路攻击

针对轻型分组密码LED提出了一种基于碰撞模型的代数旁路攻击。利用代数攻击方法建立密码算法等效布尔代数方程组,采集算法运行中泄露的功耗信息并转换为碰撞信息,并将碰撞信息转换成额外方程组,从而利用CryptoMiniSAT解析器求解密钥。实验结果表明:旁路碰撞信息可有效降低方程组求解的复杂度;已知明文条件下,利用2轮最少50%的随机碰撞信息,即可在158.5 s内恢复64 bit LED完整密钥。此外,该方法也可用于其他分组密码功耗碰撞分析。

基于规划求解的工程混合料最优配合比设计

基于Microsoft Excel的"规划求解"工具和函数,建立了工程混合料最优配合比设计的数学模型,设计出一种能够快速而精确地完成工程混合料级配最优配合比设计和成本最优配合比设计的程序,该程序具有速度快,精度高,操作简单,可扩展性强的特点,只需输入原始数据和约束条件,仅通过一次"规划求解"便可得出最佳配合比。结果表明:级配最优配合比设计所得混合料的级配为最优级配,具有最佳的工程实用性能;成本最优配合比设计着重考虑在满足规范要求的前提下,得出经济效益最优的配合比。实际工程中,可以根据具体情况,通过增减约束条件,对混合料的级配指标和成本进行综合优化。

基于Hyperworks的汽车车架有限元建模及刚度分析

汽车结构性能依靠实验手段和研究人员的经验来实现是很困难的,有限元方法和软件技术在汽车结构分析中占据了非常重要的地位。本文以某越野车车架为例,利用Hyperworks建立以壳单元为基本单元的车架有限元网格模型,然后在Nastran软件下进行计算求解,得出与实验极为相符的车架在静态载荷下弯曲位移数值曲线图,为其结构的改进设计提供了理论依据。通过计算机仿真结果与试验结果的对比可以看出:此方法的高效和准确,可广泛应用于车架的结构设计工程。

基于改进k-ω SST模型的风力机尾流数值模拟

基于双方程k-ω SST模型提出两种改进湍流模型,采用丹麦科技大学的自编求解器EllipSys3D结合致动盘方法,对单台风力机尾流流场进行数值模拟。该文将SST-sust模型引入到风力机尾流的数值研究中,为了更进一步增大预测到的湍流强度和提高尾流恢复速度,提出SST-Csust模型和SST-Dsust模型,它们是在SST-sust模型的基础上分别调整湍流模型的封闭常系数、修正ω方程的耗散项。通过与理论、实验以及LES模型进行对比分析,结果表明该文提出的改进模型在尾流区速度分布和湍流强度分布的预测方面可取得较好的应用效果。

高层建筑结构初步设计的专家系统

本文通过对结构初步设计本质和内容的分析，提出了高层建筑结构初步设计的专家系统HIPRED的原型系统．它是一个综合集成系统：通过人工神经元网络（ANN）技术存贮专家的设计经验来确定高层建筑的结构体系；利用能连续化地反映高层建筑结构参数分布的基于悬臂梁的结构简化模型，并结合常微分方程求解器COLSYS很好地从速度和精度两方面的匹配来进行力学反应分析；通过人机交互和知识库的引入，系统能够对设计的结构反应参数（位移、周期和地震为）做出评价及对结构做出相应的修改．HIPRED能够帮助设计者在一个较高层次上进行高层建筑结构的初步设计。HIPRED是在Windows环境下，采用面向对象的编程技术（OOP），用C＋＋编写的。

空间碎片超高速碰撞的数值方法研究

应用非线性动力学数值仿真软件AUTODYN-2D对空间碎片的超高速碰撞问题进行模拟,研究不同数值计算方法和材料模型的适用范围,空间碎片形状对碎片云的影响,冲击相变等问题。结果表明,在研究超高速碰撞中普遍采用的SPH方法可以很好地模拟碎片云的情况,但是难以对冲击相变问题进行模拟,而采用侵蚀模型的拉格朗日方法可较好地反映冲击相变现象。Tilloston状态方程适用于描述冲击相变问题,包括汽化问题。Johnson-Cook强度模型用来对应变硬化、应变率硬化以及熔化等问题进行模拟。因此,在当速度足以使材料发生相变时,Tilloston状态方程和Johnson-Cook强度模型是比较好的选择。

基于遗传算法与近似模型的全局气动优化方法

开发了基于精英保留策略与小生境技术的求解有约束优化问题的改进遗传算法,并用一多峰值有约束函数对其寻优能力进行了测试。为了降低气动优化设计时间,提出了集成实验设计、三维粘性流场求解程序、二次多项式近似模型、改进遗传算法的具有全局寻优能力的三维气动优化设计体系。采用该方法对NASA Rotor37动叶片叶型进行了以绝热效率最大为目标的优化设计,优化后叶片绝热效率提高1.1%。该结果表明了本优化设计体系省时、高效的特点。