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变位磁场作用电弧增材中电弧和熔池传热与流动数值模拟

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兵器材料科学与工程 2024年第1期47卷 17-25页

作者：周祥曼杨胜波王礴允吴海华田启华付君健张海鸥三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室湖北宜昌443002 石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心湖北宜昌443002 华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

为了揭示具有纵向和横向分量的外加变位磁场对TIG电弧增材成形过程中电弧和熔池传热与流动的影响机理,基于流体动力学软件Fluent,建立了电弧与熔池耦合的三维瞬态模型。对比分析了不同角度的变位磁场对电弧形貌、电磁力、热流密度、熔... 详细信息

为了揭示具有纵向和横向分量的外加变位磁场对TIG电弧增材成形过程中电弧和熔池传热与流动的影响机理,基于流体动力学软件Fluent,建立了电弧与熔池耦合的三维瞬态模型。对比分析了不同角度的变位磁场对电弧形貌、电磁力、热流密度、熔池形貌及熔池速度场的影响规律与机理。结果表明:无外加磁场时,电弧与熔池对称分布,施加变位磁场时,电弧和熔池中产生周向旋转和偏向一侧的电磁力,使电弧与熔池发生旋转与偏移,熔池除了具有由内向外的流动,还具有围绕中心旋转和偏向一侧的流动;增大变位磁场的变位角度使横向磁场分量减小,纵向磁场分量增加,从而使偏向一侧的电磁力减小,周向旋转电磁力增大,进而使电弧偏转与熔池偏移减弱,熔池旋转流动趋势增强。研究结论可为后续磁控电弧增材制造传热、传质的机理分析及工艺参数的选择提供理论依据和参考。

关键词：电弧增材制造数值模拟变位磁场传热流动

人机环境系统多领域行为过程建模与优化方法研究进展

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中国机械工程 2022年第8期33卷 929-942页

作者：董元发张文厉肖人彬田启华杜轩三峡大学机械与动力学院宜昌443002 三峡大学智能制造创新技术中心宜昌443002 华中科技大学人工智能与自动化学院武汉430074

目前智能技术自身在通用性、稳健性、安全性等方面并不成熟,智能交互产品极易因在意图表达、信息处理、决策逻辑、交互时序、动作强度等方面与用户行为模式的不匹配而产生“行为冲突”,人机环境系统多领域行为过程的统一建模与优化是实... 详细信息

目前智能技术自身在通用性、稳健性、安全性等方面并不成熟,智能交互产品极易因在意图表达、信息处理、决策逻辑、交互时序、动作强度等方面与用户行为模式的不匹配而产生“行为冲突”,人机环境系统多领域行为过程的统一建模与优化是实现智能交互产品行为特性调控和正向设计的关键。从如何表征、用什么表征、如何校验、如何优化四个维度系统地梳理了人机环境系统多领域行为过程表征模型、建模语言/工具、模型验证和行为过程优化等方面的研究进展,分析了目前该领域存在的问题和局限性,展望了未来的研究重点和发展趋势。

关键词：智能交互产品人机环境系统多领域行为过程统一建模优化

基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：付君健徐勇周祥曼舒正涛田启华三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室三峡大学机械与动力学院

针对宏观曲面结构上多孔结构单胞构型与设计域外形不匹配，导致曲面结构优化困难的问题，提出一种基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法。基于三周期极小曲面隐式水平集函数，实现多孔结构的参数化建模。采用等参单元法理论，建... 详细信息

针对宏观曲面结构上多孔结构单胞构型与设计域外形不匹配，导致曲面结构优化困难的问题，提出一种基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法。基于三周期极小曲面隐式水平集函数，实现多孔结构的参数化建模。采用等参单元法理论，建立自然坐标系到笛卡尔坐标系的映射关系，实现曲面多孔结构的共形建模。构造线性插值函数，保证多孔结构单胞之间的C0连续。引入可变切割水平集函数，建立MATLAB与ANSYS联合仿真的多孔结构拓扑优化框架。数值算例表明，本方法可有效实现曲面多孔结构的拓扑优化设计，保证了多孔结构单胞与设计域外形的匹配，提升了多孔结构的力学性能。

关键词：拓扑优化多孔结构共形建模可变切割水平集函数联合仿真

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梯度空心多孔结构优化设计方法

中国机械工程 2022年第23期33卷 2867-2878页

作者：田启华舒正涛付君健杜义贤周祥曼田磊三峡大学机械与动力学院宜昌443002 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室宜昌443002

针对空心多孔结构参数化建模困难、承载性能不足的问题,提出了一种梯度空心多孔结构优化设计方法。将不同水平参数的I-WP(I-wrapped package)型三周期极小曲面进行布尔运算实现了空心多孔结构单胞的隐式建模,并基于数值均匀化法对该结... 详细信息

针对空心多孔结构参数化建模困难、承载性能不足的问题,提出了一种梯度空心多孔结构优化设计方法。将不同水平参数的I-WP(I-wrapped package)型三周期极小曲面进行布尔运算实现了空心多孔结构单胞的隐式建模,并基于数值均匀化法对该结构的等效弹性属性进行了评估。通过引入凸优化理论的仿射概念,构造混合水平集函数,实现了梯度空心多孔结构的参数化建模;以刚度最大化为目标函数,建立了基于混合水平集方法的梯度空心多孔结构拓扑优化模型,通过优化准则算法进行求解,得到了具有良好连续性的梯度多孔结构。对优化结构进行了有限元分析,并采用选择性激光烧结技术制造了模型样件,开展了力学实验。数值案例和实验结果表明,该方法可有效实现空心多孔结构的参数化设计,显著提高了多孔结构的承载性能。

关键词：空心多孔结构参数化建模均匀化法混合水平集法力学实验

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基于拓扑优化的结构弹性成像方法

力学学报 2022年第5期54卷 1331-1340页

作者：付君健李帅虎李好高亮周祥曼田启华水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室湖北宜昌443002 三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074

弹性模量是工程材料重要的性能参数,可以衡量物体抵抗弹性变形的能力.弹性成像是一种通过弹性模量表征生物体组织物理特性的医学成像方法.为了将弹性成像应用于机械装备结构的缺陷识别,提高弹性成像的局部表征和全局识别能力,提出一种... 详细信息

弹性模量是工程材料重要的性能参数,可以衡量物体抵抗弹性变形的能力.弹性成像是一种通过弹性模量表征生物体组织物理特性的医学成像方法.为了将弹性成像应用于机械装备结构的缺陷识别,提高弹性成像的局部表征和全局识别能力,提出一种基于拓扑优化的结构弹性成像方法.受拓扑优化理论启发,采用结构离散单元的相对密度(弹性模量系数)作为弹性成像参数来表征损伤程度,建立成像参数与弹性模量的插值模型,基于有限元模型构建损伤表征、结构模型与物理响应的映射关系.以损伤结构和无损结构位移响应的最小二乘为目标函数,以成像参数上下限为约束,建立结构弹性成像的优化模型.以伴随法推导弹性成像问题的灵敏度,并详细给出了弹性成像反演的数值实施方式.二维悬臂梁和米歇尔梁算例表明,本文提出的基于拓扑优化的弹性成像方法无需先验损伤信息,可有效实现均质/非均质、单/多缺陷结构的弹性成像,且弹性成像结果不依赖于特定的边界条件,进一步将弹性成像方法扩展至三维悬臂梁问题验证了其通用性.

关键词：弹性成像拓扑优化缺陷识别损伤表征

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公交调度系统事件检测算法研究

北京工业大学学报 2011年第12期37卷 1811-1817页

作者：陈艳艳田启华北京工业大学交通工程北京市重点实验室北京100124

利用小波Mallat算法对GPS采集的速度信号进行分解,并利用小波变换模极大值与信号奇异点的对应关系对信号进行突变点检测.根据小波可同时进行时频分析的特性,将GPS采集的速度信号在时频空间展开,并根据不同的公交车运行状态分别对信号进... 详细信息

利用小波Mallat算法对GPS采集的速度信号进行分解,并利用小波变换模极大值与信号奇异点的对应关系对信号进行突变点检测.根据小波可同时进行时频分析的特性,将GPS采集的速度信号在时频空间展开,并根据不同的公交车运行状态分别对信号进行分析.最后提出了以突变点大小、位置、个数以及平均速度和速度零点时间长短为参数的综合事件判别条件.通过与实测公交运行状态对比发现,以小波变换对GPS采集的速度信号进行突变点检测是非常有效的.

关键词：公交调度小波事件检测

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功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法

机械工程学报 2022年第17期58卷 249-260页

作者：付君健舒正涛田启华杜义贤周祥曼徐勇水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室宜昌443002 三峡大学机械与动力学院宜昌443002

为解决传统功能梯度多孔结构单胞分布形式单一、几何连续性差的问题,提出了一种功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法。引入权重系数构造隐式水平集函数的仿射,实现了梯度微结构单胞与宏观结构隐式建模。建立全局更新-局部插值的... 详细信息

为解决传统功能梯度多孔结构单胞分布形式单一、几何连续性差的问题,提出了一种功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法。引入权重系数构造隐式水平集函数的仿射,实现了梯度微结构单胞与宏观结构隐式建模。建立全局更新-局部插值的设计变量更新策略,将几何连续性嵌入拓扑优化模型。以权重系数作为设计变量,结构体积分数为约束,建立了功能梯度多孔结构刚度拓扑优化模型,并采用优化准则算法进行求解。数值算例表明,本方法可有效实现功能梯度多孔结构拓扑优化,丰富了多孔结构单胞的梯度变化形式,保证了不同多孔结构之间的连续性。

关键词：拓扑优化功能梯度多孔结构混合水平集法几何连续性

I-WP型极小曲面空心多孔结构设计与力学性能分析

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计算机集成制造系统 2022年第9期28卷 2739-2747页

作者：杜义贤孙鹏飞付君健田启华周祥曼陶然三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室湖北宜昌443002 长江三峡通航管理局湖北宜昌443002

为了获得具有高承载和吸能特性的新型多孔结构,提出了基于三周期极小曲面的空心多孔结构设计与力学性能分析方法。通过将不同水平参数的I-Wrapped Package(I-WP)型三周期极小曲面进行布尔运算,实现空心多孔结构设计,基于数值均匀化法评... 详细信息

为了获得具有高承载和吸能特性的新型多孔结构,提出了基于三周期极小曲面的空心多孔结构设计与力学性能分析方法。通过将不同水平参数的I-Wrapped Package(I-WP)型三周期极小曲面进行布尔运算,实现空心多孔结构设计,基于数值均匀化法评估了空心多孔结构的等效属性,采用有限元法分析了空心多孔结构的静态力学性能,通过压缩实验分析了空心多孔结构的压缩和吸能特性。相对于I-WP型基础结构,I-WP型空心多孔结构具有更高的等效体积模量,在静态载荷下承载能力更强,在动态载荷下压缩和吸能特性更优。

关键词：三周期极小曲面空心多孔结构力学性能数值均匀化法有限元法

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资源约束下产品开发任务调度的多目标优化

计算机集成制造系统 2022年第2期28卷 564-573页

作者：田启华黄佳康明文豪杜义贤周祥曼付君健三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 湖北亿纬动力有限公司方形三元技术中心湖北荆门448000

鉴于产品开发任务调度过程中存在资源约束问题和学习与遗忘效应,需要对多个目标进行优化决策,通过定义资源平均利用率并提出学习遗忘效应矩阵,结合耦合设计的多阶段迭代模型,以各阶段资源利用率为约束条件,建立资源约束下考虑学习与遗... 详细信息

鉴于产品开发任务调度过程中存在资源约束问题和学习与遗忘效应,需要对多个目标进行优化决策,通过定义资源平均利用率并提出学习遗忘效应矩阵,结合耦合设计的多阶段迭代模型,以各阶段资源利用率为约束条件,建立资源约束下考虑学习与遗忘效应的任务调度时间与成本的多目标优化数学模型。采用带精英策略的非支配排序遗传算法求解得出Pareto最优解集,并采用改进的多目标理想点法对该解集进行选优,得到最优任务调度方案。以某电动汽车的开发过程为例,验证了该优化模型能够减小产品开发时间,降低产品开发成本,提高总资源利用率。

关键词：资源约束学习与遗忘效应任务调度多目标优化带精英策略的非支配排序遗传算法多目标理想点法产品开发