高寒区氮添加和间作种植互作对燕麦和豌豆根系构型影响的研究

种间根系的相互作用是禾豆间作体系系统生产力提升的关键途径,外源氮素添加也能显著改变植物根系构型。然而,有关氮添加和间作种植方式对燕麦和豌豆根系构型影响的研究鲜有报道。基于此,本研究以燕麦和豌豆为对象,比较氮添加和不同间作种植方式对燕麦和豌豆生物量、根系形态及构型的影响。结果表明:1)高氮隔行间作燕麦地上和地下生物量最高,而高氮单播豌豆生物量最高;2)高氮隔行间作燕麦除根体积和根尖数外,其他根系形态参数显著高于单播燕麦,高氮单播豌豆的根表面积、根体积和根尖数最高,而未添加氮单播豌豆的分叉数、内部和外部连接数最高;3)高氮间作燕麦拓扑指数和分形维数较高,未添加氮单播豌豆分形维数较高;4)氮添加和间作种植可增加燕麦根体积、根表面积、外部连接数和促进侧根生长,而间作种植和氮添加却降低豌豆根系连接数、根尖数、内部连接数和抑制侧根发育。由此可见,氮添加和间作种植通过增加燕麦根系与土壤接触面积强化燕麦获取土壤的能力,进而使间作燕麦生物量快速增加,这将为燕麦和豌豆间作体系中燕麦常表现出强竞争力和积累高生物量提供直接证据。

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。

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。

球形电动机及其研究发展综述

球形电动机是一种具有球体结构的新型电动机,可单机实现在三维空间内的多自由度运动,且适合应用于人工智能及姿态控制系统动量球等相关领域,得到了各国学者的广泛关注与研究。球形电动机拓展了转子运动范围,是电动机行业未来的一个重要发展方向。与传统单自由度电动机相比,球形电动机结构较为复杂,且运动模式较为特殊,因此,对球形电动机的分析研究有别于传统单自由度电动机。该文整理各国学者对球形电动机的研究工作,总结归纳球形电动机的概念及发展历程,对比研究球形电动机不同的工作原理、拓扑结构及设计优化方法,探讨球形电动机的性能、转子位置检测方法、控制方法、转子支撑方式、应用场合及关键技术,最后总结球形电动机的未来发展趋势。

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。

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。

新能源电力系统不确定优化调度方法研究现状及展望

风电场和光伏电站出力的不确定性给电力系统优化调度带来很大技术挑战。文中主要介绍了考虑新能源不确定性的电力系统优化调度方法的研究现状及后续研究方向展望。首先,重点论述了各种不确定优化调度(UOD)方法,包括随机优化方法、鲁棒优化方法、随机鲁棒优化结合方法和基于人工智能技术的方法。其中,随机优化方法包括场景法、机会约束规划法和近似动态规划法;鲁棒优化方法包括传统鲁棒优化法和分布鲁棒优化法;随机鲁棒优化结合方法包括采样鲁棒优化法和分布鲁棒机会约束规划法。然后,介绍了每一种方法的优化模型形式、模型的转化和求解原理及其优缺点。最后,对UOD的后续重点研究方向进行展望,包括兼顾多个目标的UOD问题及多目标不确定优化方法、输配系统UOD问题及分布式不确定优化方法、考虑稳定性约束的UOD问题及含常微分方程约束的不确定优化方法、考虑管道传输动态的综合能源系统UOD问题及含偏微分方程约束的不确定优化方法。

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。

改进群体智能算法的无线传感器网络覆盖优化

为解决无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)节点分布不均和随机部署中的低覆盖率问题,该文提出一种改进群体智能算法的无线传感器网络覆盖优化算法,即改进的黑猩猩优化和哈里斯鹰优化的混合优化算法(Improved Chimp Optimization and Harris Hawk Optimization Algorithm,ICHHO).该算法首先对黑猩猩优化算法(Chimpanzee Optimization Algorithm,ChOA)进行改进,使用Levy Flight来改善其探索阶段,然后设计一个更新的公式来计算猎物逃逸能量,作为开发和探索之间的选择因素.传感器节点随机部署后,将ICHHO在传感器节点上执行,按照改进策略更新个体位置信息,计算相应的适应程度,找到最优传感器位置,并根据传感器概率模型确定网络最优覆盖率.仿真结果验证了ICHHO对于解决WSN覆盖问题的适用性,与其他优化算法的对比结果显示,ICHHO在提高覆盖率方面优于其他算法.

清林机履带底盘架静力学分析及优化设计

以自主设计的清林机为研究目标,对其履带底盘架进行静力学分析并优化。首先对履带底盘所需主要参数进行设计计算,根据计算结果在Solidworks软件中初步建立了三维模型。而后利用Ansys软件对履带底盘架进行静力学分析,结果显示其强度满足使用要求,但材料性能有冗余,故对其进行了拓扑优化设计,根据优化结果重新建立了三维模型,并对其进行了静力学分析。分析结果显示优化后的履带底盘架性能仍满足使用要求,材料性能冗余的情况得到了改善,并且降低了履带底盘的重量,为之后类似机构的优化设计提供了参考。

被动式木窗双端铣削加工定位夹紧装置的设计与研究

为满足欧式木窗定制化尺寸变化的需求,设计一种尺寸自适应定位夹紧装置,应用有限元软件对木窗夹紧过程进行静力学分析,在满足木窗夹紧的要求下,使木窗弹性变形在合理范围。同时为了满足轻量化设计要求对压辊连接架进行拓扑优化设计,根据拓扑优化结果改进压辊连接架结构,对优化后的模型进行静力学分析验证,最终得到优化后的工件。结果表明,优化后压辊连接架重量明显下降,满足相关使用要求。

基于拉压杆模型的装配式混凝土挡墙结构设计方法

为了研究装配式混凝土箱体挡墙结构在水压力和土压力共同作用下的受力机理,提出了一种基于拉压杆模型的装配式混凝土挡墙结构设计方法.以体积和应变能为优化目标,采用Tosca软件对数值模拟得到的主要受力骨架进行拓扑优化.构建拉压杆模型,结合箱体挡墙结构的破坏机理,分析并推导出侧墙受压、临水面挡墙和集束连接受拉3种主要破坏模式的承载力公式.实际工程对比分析结果表明:进行900次模型优化后,优化形态和应变能基本保持不变;基于拉压杆模型的装配式混凝土箱体挡墙结构的承载能力低于规范值和有限元模拟值,但误差均保持在16%范围内,从而验证了该方法的合理性.

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。

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%。

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。

主动波浪补偿船用起重机吊臂的力学特性与结构优化设计

以新型HFTC3-12主动波浪补偿起重机吊臂结构为研究对象,对其进行载荷分析,用ABAQUS完成不同试验工况起重机结构的刚度和强度仿真分析和校核;进行起重机实测试验,验证仿真模型的准确性;对起重机基座进行拓扑优化,同时进行模态分析,验证其在主动波浪补偿状态是否发生共振。结果表明:HFTC3-12液压折臂伸缩起重机吊臂结构刚度和强度满足相关规范要求,未发生共振,且经过优化后起重机基座质量减少了20%。

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.

考虑多工况的甘蔗收割机回转台轻量化研究

甘蔗收割机回转台在工作过程中承受过双侧凹坑、转向过坑等工况载荷及扭矩的作用,受力复杂,优化时需要多工况综合考虑。ESO多工况优化方法由于未考虑不同工况间的重要程度,不易获得全局最优解。因此提出一种多目标拓扑优化函数,采用带权重的线性加权法协调多个目标函数,构建多工况拓扑优化数学模型,运用层次分析法确定各工况的权重系数,基于inspire软件对回转台进行多目标拓扑优化,从而获得材料的最优分布。优化结果表明:优化后回转台结构最大应力与最大位移均有所下降且满足强度与刚度要求,实现了多目标同时优化。

基于电流路径重构的无桥三电平PFC电路研究

文中提出一族电流路径重构的无桥三电平功率因数校正(power factor correction,PFC)电路,该族拓扑在无桥PFC的基础上,重构电流路径以减少电流路径中的功率器件,并保留无桥结构可靠性高和三电平结构器件应力低的优点。该族电路的任一工作模态仅需一个全控器件,有效降低全控器件损耗和电路控制复杂度。基于该族电路的工作原理分析,推导各器件应力、电压电流纹波与调制度的关系,利于元器件相关参数的设计,同时可推广到三电平电路拓扑的设计过程中;另外,设计该族电路调制技术及控制策略;最后,搭建实验样机,实验结果证明,该拓扑推衍方案的可行性和该族电路拓扑的有效性。

成组立模成型机模板结构优化设计研究

混凝土预制构件成组立模成型机(简称成组立模)是一种新型的生产混凝土预制构件的设备。为了提高成组立模台面的振动效果和承载能力,本研究以成组立模模板结构为研究对象,提出了一种拓扑优化新兴设计与响应面法结合的优化设计理论。首先,基于变密度法对成组立模模板结构加强筋布局进行拓扑优化设计,得到了加强筋最佳的材料分布形式,以此对成组立模模板结构进行了结构优化设计。为得到最佳的加强筋设计参数,采用中心组合试验设计,建立模板结构最大位移、最大等效应力的响应面模型。利用多目标遗传算法对响应面模型进行优化求解,得出加强筋各参数最优的组合方案。有限元分析结果表明:与初始方案相比,优化设计方案提高了台面的刚度和强度,同时改善了模板结构的振动特性,并提高了混凝土预制构件的成型质量。该研究为进一步推进成组立模的研究提供了理论指导。