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考虑宏观结构性能的多材料微结构拓扑优化设计

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振动与冲击 2024年第11期43卷 185-193页

作者：张磊倪绍豪蒋国璋张严宫逸文武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081

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... 详细信息

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。

关键词：拓扑优化多材料微结构水平集方法均匀化方法交替活动相算法

QCT辅助评价胫骨平台骨折形态的临床分析与应用研究

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中国骨与关节损伤杂志 2024年第2期39卷 149-153页

作者：高迪刘定玺许炜张清蒋国璋程晓光武汉市普仁医院(武汉科技大学附属普仁医院)骨科湖北430081 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉市普仁医院(武汉科技大学附属普仁医院)放射科湖北430081 北京积水潭医院放射科北京100035

目的通过地图投影技术及定量CT(Quantitative computed tomography,QCT)影像技术评估胫骨平台五柱分型下骨折形态、骨密度在临床诊疗上的价值。方法收集自2018-08—2022-07诊治的68例胫骨平台骨折的三维CT影像数据,应用Mimics 20.0软件... 详细信息

目的通过地图投影技术及定量CT(Quantitative computed tomography,QCT)影像技术评估胫骨平台五柱分型下骨折形态、骨密度在临床诊疗上的价值。方法收集自2018-08—2022-07诊治的68例胫骨平台骨折的三维CT影像数据,应用Mimics 20.0软件重建健侧胫骨平台标准3D模型,对患侧骨折区域进行三维重建、复位,将复位的三维骨折模型导入3-matic软件中,在标准模型上识别骨折区域并叠加,应用MATLAB软件进行三维热图可视化处理。按照胫骨平台五柱分型,观察胫骨平台骨折区域三维图形在二维平面下各柱形态变化及骨折发生率,同时在健侧胫骨平台内外侧标记感兴趣区域,应用QCT准确获取骨密度值,对比内外侧柱骨密度值与骨折形态的相关影响。结果胫骨平台骨折三维重建结果显示胫骨平台前内侧柱骨折19例,占比27.94%;胫骨平台前侧柱(结节区域)骨折30例,占比44.11%;胫骨平台前外侧柱骨折53例,占比77.94%;胫骨平台后外侧柱骨折42例,占比61.76%;胫骨平台后内侧柱骨折24例,占比35.29%。骨折热图结果及分布比例显示前外侧柱及后外侧柱骨折分布为40%~70%,前内侧柱及后内侧柱骨折分布为20%~30%,前侧柱骨折分布为20%~40%。根据胫骨平台健侧内外侧骨密度测量结果,不同年龄段患者胫骨平台内侧骨密度高于胫骨平台外侧骨密度,其中50岁以上患者骨密度区别更加明显。结论QCT辅助评价胫骨平台骨折形态不仅完善了目前仅在理论上的五柱分型,同时提高了临床医师对其诊断的认识,并且指导临床手术规划,为临床制定个性化医疗提供依据。

关键词：胫骨平台骨折定量计算机断层扫描技术骨密度地图投影技术

基于近似模型辅助智能算法的变截面点阵结构优化设计方法

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振动与冲击 2023年第16期42卷 181-188,208页

作者：向艳蒋国璋张严徐曼曼武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081

桁架类点阵结构具有质量轻、比强度/比刚度高、减振吸能性好,且拓扑构型简单、增材成型可靠性高等优点,被广泛应用于航天器各关键承载部件设计。传统桁架类点阵设计大多囿于等截面设计约束,严重制约了优化设计的寻优潜能,难以满足航天... 详细信息

桁架类点阵结构具有质量轻、比强度/比刚度高、减振吸能性好,且拓扑构型简单、增材成型可靠性高等优点,被广泛应用于航天器各关键承载部件设计。传统桁架类点阵设计大多囿于等截面设计约束,严重制约了优化设计的寻优潜能,难以满足航天器结构超轻质、高强度的性能要求。为突破传统点阵的等截面形状约束,构建基于显式拓扑描述函数的变截面几何描述模型,实现变截面点阵几何形状的自由描述;采用能量均匀化方法精确计算变截面点阵单胞宏观等效弹性张量,并建立变截面点阵几何描述参数关于其宏观等效弹性张量的近似响应模型;以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最大体积模量或最大剪切模量为目标函数,建立变截面点阵几何描述参数的优化数学模型,并采用基于近似模型辅助的粒子群优化算法实现上述优化模型的高效求解。数值算例表明,相较于等截面点阵,在相同材料用量下,优化后的变截面点阵的体积模量和剪切模量性能更优。所提方法进一步拓展了桁架类点阵的设计空间,有效提升其力学性能,在航天器结构轻量化设计方面具有应用推广前景。

关键词：点阵结构变截面显式拓扑描述能量均匀化粒子群优化算法

基于参考轨迹实时修正的机器人轨迹跟踪控制方法

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农业机械学报 2023年第2期54卷 441-449页

作者：肖帆李公法章晓峰陶波蒋国璋李光武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081 湖南工业大学机械工程学院株洲412007

针对动力学不确定性的机器人轨迹跟踪问题,本文提出一种基于参考轨迹实时修正的机器人轨迹跟踪控制方法。将轨迹跟踪中已产生的误差进行累加,实时前馈补偿到参考轨迹上即将被跟踪的点上。给出了该方法的控制框图,由控制框图导出跟踪误... 详细信息

针对动力学不确定性的机器人轨迹跟踪问题,本文提出一种基于参考轨迹实时修正的机器人轨迹跟踪控制方法。将轨迹跟踪中已产生的误差进行累加,实时前馈补偿到参考轨迹上即将被跟踪的点上。给出了该方法的控制框图,由控制框图导出跟踪误差与命令误差之间的关系式。关系式表明只需控制器中的控制算法保证速度误差稳定,即可保证跟踪误差收敛。此外,提高补偿增益的值可以提高误差的收敛速度。分析PD控制律能满足所提方法的收敛条件。给出了所提方法中参数的调节方案。通过仿真和实验验证了该方法的有效性。实验结果表明,各个关节跟踪轨迹1得到的误差绝对值均不大于0.0087 rad;跟踪轨迹2得到的误差绝对值均不大于0.0059 rad。

关键词：机器人轨迹跟踪参考轨迹 PD控制

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基于公理设计的人机协作数字孪生建模技术

计算机集成制造系统 2023年第11期29卷 3547-3559页

作者：刘鑫李公法向峰蒋国璋陶波江都孙瑛武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学生物机械手与智能测控研究中心湖北武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院湖北武汉430081

人本智造是未来智能制造发展的重要方向,安全可信的人机协作是实现人本智造的基础。数字孪生所强调的以虚映实和以虚控实的思想与以人为核心的人机协作需求相匹配,为面向人本智造的人机协作新范式转变提供了新思路。目前欠缺关于人机协... 详细信息

人本智造是未来智能制造发展的重要方向,安全可信的人机协作是实现人本智造的基础。数字孪生所强调的以虚映实和以虚控实的思想与以人为核心的人机协作需求相匹配,为面向人本智造的人机协作新范式转变提供了新思路。目前欠缺关于人机协作数字孪生模型建模方法的研究,以满足数字孪生技术在人机协作领域中的应用需求。提出面向人机协作智造的数字孪生建模技术,从机器人模型和协作人员模型两方面展开人机协作模型建模机理分析。首先分析了机器人模型和协作人员模型具备的特征,在此基础上提出机器人模型和协作人员模型的基本组成结构,为人机协作数字孪生模型构建提供理论支持;建立了基于公理化设计理论的人机协作模型构建框架,提出了人机协作数字孪生模型的建模步骤;最后,以人机协作抓取数字孪生模型的构建过程为例,详细介绍了模型的构建过程,验证了所提方法的可行性。

关键词：人本智造人机协作数字孪生公理化设计建模方法

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煤炭运输绿色物流优化研究

物流科技 2022年第18期45卷 85-87,91页

作者：刘宁蒋国璋武汉科技大学机械自动化学院湖北武汉430081

煤炭物流在与煤炭相关产业中扮演着不可或缺的角色,更是我国经济发展的重要支柱。但是煤炭运输会对环境造成破坏,随着煤炭行业的快速发展,环境污染问题也愈发严峻,为了减少煤炭物流造成的污染,保护生态环境,要从绿色发展角度实现煤炭运... 详细信息

煤炭物流在与煤炭相关产业中扮演着不可或缺的角色,更是我国经济发展的重要支柱。但是煤炭运输会对环境造成破坏,随着煤炭行业的快速发展,环境污染问题也愈发严峻,为了减少煤炭物流造成的污染,保护生态环境,要从绿色发展角度实现煤炭运输绿色物流。因此,文章通过我国煤炭运输行业研究绿色物流优化;首先提出煤炭运输对环境的污染,把绿色概念引入煤炭运输中,从而认识到绿色物流的必要性。

关键词：煤炭运输绿色物流物流优化

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连铸用钢包的耐火内衬优化及疲劳寿命预测

钢铁研究学报 2022年第10期34卷 1108-1117页

作者：袁忠平孙瑛蒋国璋李公法郭国红曹永成武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室湖北武汉430081 宝武股份武钢有限炼钢厂湖北武汉430081 湖北省荆门市五三机械设备制造有限公司湖北京山431800

连铸技术对钢包的性能要求越来越高,而传统钢包炉衬构件普遍存在使用寿命短、消耗高等问题。通过研究耐火材料特性,优化内衬结构布置,设计出一种长寿命、超保温的新型钢包,并基于数值模拟技术,对新型钢包与传统钢包在典型工况下的温度... 详细信息

连铸技术对钢包的性能要求越来越高,而传统钢包炉衬构件普遍存在使用寿命短、消耗高等问题。通过研究耐火材料特性,优化内衬结构布置,设计出一种长寿命、超保温的新型钢包,并基于数值模拟技术,对新型钢包与传统钢包在典型工况下的温度与应力进行对比分析。温度场模拟结果表明,新型钢包在保温性能上有较大的提升,钢包壳最高温度较传统钢包降低54℃。同时,应力场结果表明,新型钢包壳的最大应力减小了66.7 MPa且整体应力分布更加均匀。最后将温度场和应力场的分析结果反馈到钢包的生产、制造、维护上,并进行实验验证。实验结果表明,新型钢包在保温与长寿等性能方面表现更好,内衬寿命提高了119炉次,达到了钢包设计、制造、维护一体化的效果。

关键词：钢包温度场应力场长寿数值模拟

基于大学生工程素养提升的工程训练课程思政研究——以武汉科技大学为例

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中国教育技术装备 2022年第12期 9-12页

作者：郑翠蒋国璋武汉科技大学工程训练中心 430065

工程训练是高等工科院校培养学生实践能力和创新精神的重要教学环节,探索工程训练课程思政建设对提升大学生工程素养具有积极意义。武汉科技大学工程训练中心根据课程育人要求,加强指导教师队伍建设,营造立体课程育人环境,改革课程思政... 详细信息

工程训练是高等工科院校培养学生实践能力和创新精神的重要教学环节,探索工程训练课程思政建设对提升大学生工程素养具有积极意义。武汉科技大学工程训练中心根据课程育人要求,加强指导教师队伍建设,营造立体课程育人环境,改革课程思政教学模式,为培养具有工程素养的卓越工程师人才夯实基础。

关键词：工程训练课程思政工程素养李四光精神钢铁精神

面向工业互联网平台的制造服务可信特征识别方法

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计算机集成制造系统 2021年第10期27卷 2762-2773页

作者：向峰钟雷左颖蒋国璋段现银武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院湖北武汉430081 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京100191

制造服务是否可信是产品服务系统(PSS)应用的关键问题,工业互联网平台(IIP)的快速应用及部署为制造服务的可信接入提供了平台支撑。分析了传统的网络化制造平台与工业互联网平台下制造服务可信特征的区别和联系,围绕制造服务映射保真、... 详细信息

制造服务是否可信是产品服务系统(PSS)应用的关键问题,工业互联网平台(IIP)的快速应用及部署为制造服务的可信接入提供了平台支撑。分析了传统的网络化制造平台与工业互联网平台下制造服务可信特征的区别和联系,围绕制造服务映射保真、服务信誉、协作状态3个方面,给出了制造服务综合可信特征指标体系,提出了工业互联网平台下的制造服务可信特征识别框架及其关键技术,设计了基于去噪自编码器的制造服务可信特征分类方法。最后以智慧物流的案例仿真验证了所提方法的有效性和优越性。

关键词：工业互联网平台制造服务可信特征去噪自编码器智慧物流