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基于非结构化T样条的薄壳等几何分析

机械工程学报 2018年第15期54卷 132-140页

作者：袁沛刘振宇裘辿谭建荣浙江大学CAD&CG国家重点实验室

等几何分析方法采用几何的样条基函数来构建分析模型,从而避免传统有限元法的网格离散过程.采用非结构化T样条构建复杂模型,结合Kirchhoff-Love薄壳理论构造基于非结构化T样条的薄壳单元,并研究其在模态计算和弹性变形分析中的应用.由... 详细信息

等几何分析方法采用几何的样条基函数来构建分析模型,从而避免传统有限元法的网格离散过程.采用非结构化T样条构建复杂模型,结合Kirchhoff-Love薄壳理论构造基于非结构化T样条的薄壳单元,并研究其在模态计算和弹性变形分析中的应用.由于样条几何基函数缺乏插值性,等几何分析中单元所受载荷无法像传统有限元法一样直接均分到单元各个节点上,针对这一问题,将任意载荷作用区域分为两种基本形式,通过一定的映射关系将这两种形式由规则形状表示,从而将规则形状的高斯积分点同样映射到不规则区域上.数值算例结果表明,和传统有限元相比,基于非结构化T样条的薄壳等几何分析能够以更少的系统自由度获得精确解,而任意区域的积分映射方法也有效地解决了等几何分析中载荷施加的问题.

关键词：等几何分析非结构化T样条薄壳 Bézier提取积分映射

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高温质子交换膜燃料电池电堆端板拓扑优化

大连理工大学学报 2020年第2期60卷 142-148页

作者：王浩然吴私杨林林兰海兵陈超孙伟宋学官大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024 中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室辽宁大连116023

以实现高温质子交换膜燃料电池单电池内部接触压力的均匀性与电堆内单电池之间接触压力的一致性为目的,建立了一种具有非线性接触边界条件的高温质子交换膜燃料电池电堆端板的拓扑优化模型.通过研究在一定工作温度下装配荷载对电堆内部... 详细信息

以实现高温质子交换膜燃料电池单电池内部接触压力的均匀性与电堆内单电池之间接触压力的一致性为目的,建立了一种具有非线性接触边界条件的高温质子交换膜燃料电池电堆端板的拓扑优化模型.通过研究在一定工作温度下装配荷载对电堆内部接触压力的影响,并综合考虑端板的质量与制造难度,构建了一种适用于燃料电池电堆的简化模型.从基于热力耦合的有限元法出发,对燃料电池端板进行以最小质量为目标、最大应力为约束的拓扑优化,并在综合考虑结构形状与拓扑结果的基础上建立端板的几何模型.结果表明,拓扑优化得到的端板结构使电堆内部具有更均匀的接触压力,因此拓扑优化可以为端板的结构设计提供理论参考.

关键词：高温质子交换膜燃料电池拓扑优化有限元法热力耦合分析

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面向智能挖掘机的最优挖掘轨迹规划

大连理工大学学报 2018年第3期58卷 246-253页

作者：孙伟李二洋王晓邦郭正刚李旭东宋学官大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

以实现挖掘机的智能化、工作装置的自动轨迹控制为目的,提出了一种基于能耗最小的挖掘轨迹规划方法.通过研究挖掘机铲斗与物料相互作用过程中的阻力特性,并综合考虑物料的重力、铲斗与物料间的摩擦力、挖掘速度以及铲斗两侧物料对挖掘... 详细信息

以实现挖掘机的智能化、工作装置的自动轨迹控制为目的,提出了一种基于能耗最小的挖掘轨迹规划方法.通过研究挖掘机铲斗与物料相互作用过程中的阻力特性,并综合考虑物料的重力、铲斗与物料间的摩擦力、挖掘速度以及铲斗两侧物料对挖掘阻力的影响,构建了一种适用于大型矿用挖掘机的动态挖掘阻力预测模型.运用提出的挖掘阻力预测模型,从多种不同堆角的料堆出发,以挖掘单位质量物料的能耗最小为目标函数,在综合考虑结构和性能约束的基础上建立了优化模型,并应用于WK-55挖掘机的控制参数优化,得到了挖掘不同堆角的料堆时的最优挖掘参数.结果表明:对于任意堆角的料堆都有最优挖掘参数可以在保证挖掘效率的前提下使挖掘机以最小能耗进行挖掘作业,为智能挖掘机的研发提供了理论参考.

关键词：智能挖掘机挖掘阻力能耗

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多尺度四边形单元网格连接方法研究

机械工程学报 2019年第9期55卷 100-106页

作者：方锡武林晓华刘振宇南京工程学院机械工程学院南京211167 浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310027

针对多尺度问题分析时在两个异构的有限元网格接触界面存在单元结点不匹配而导致结点属性不能连续传递的问题,提出了多结点四边形单元结点形函数构建方法。首先将不规则四边形单元及其多结点通过等参逆变换转成规则正方形单元及其多结点... 详细信息

针对多尺度问题分析时在两个异构的有限元网格接触界面存在单元结点不匹配而导致结点属性不能连续传递的问题,提出了多结点四边形单元结点形函数构建方法。首先将不规则四边形单元及其多结点通过等参逆变换转成规则正方形单元及其多结点,然后在规则单元中,以每个结点为基点,沿相互正交的两个方向在本单元内寻找近邻结点,以基点与近邻结点之间的距离和它们的属性变化值来建立该结点形函数的两个乘积因子,从而构建多结点形函数和修正原结点形函数,形函数将结点属性值的影响域限制在由基点和近邻结点所确定的四边形可控区域之内,实现了两接触网格结点属性在接触界面的无缝连接,从而保证了分析区域的场量变化的连续性、一致性和各向同性。

关键词：虚结点异构网格:形函数有限元等参变换

基于代理模型的直流道质子交换膜燃料电池优化设计

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大连理工大学学报 2020年第3期60卷 244-250页

作者：陈超王硕兰海兵杨林林吴私宋学官大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024 中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室辽宁大连116023

质子交换膜燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置.应用Kriging代理模型结合遗传算法对流道宽、流道高和岸宽3个几何参数进行了优化设计,以质子交换膜燃料电池的净功率作为优化的目标函数来评价质子交换膜燃料电池... 详细信息

质子交换膜燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置.应用Kriging代理模型结合遗传算法对流道宽、流道高和岸宽3个几何参数进行了优化设计,以质子交换膜燃料电池的净功率作为优化的目标函数来评价质子交换膜燃料电池的性能.数值模拟应用了商业软件ANSYS FLuENT.优化后的质子交换膜燃料电池流道内具有更高的压力,使更多的反应气体参加电化学反应,因此优化后的质子交换膜燃料电池的性能得到了提高.

关键词：质子交换膜燃料电池数值模拟 Kriging代理模型遗传算法

盾构管片拼装机电液系统高速-低冲击控制方法

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浙江大学学报（工学版） 2017年第10期51卷 1948-1958,1966页

作者：孙伟杜家楠王林涛马宏辉大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

为了解决当前管片拼装机回转系统转速低且存在较大启动冲击的问题,提出采用蓄能器回路变速积分控制的高速管片拼装电液控制系统.通过根据误差信号幅值实时调整积分系数,使系统在获得较高运动精度的同时,有效地抑制了系统冲击;通过在液... 详细信息

为了解决当前管片拼装机回转系统转速低且存在较大启动冲击的问题,提出采用蓄能器回路变速积分控制的高速管片拼装电液控制系统.通过根据误差信号幅值实时调整积分系数,使系统在获得较高运动精度的同时,有效地抑制了系统冲击;通过在液压马达两端增加蓄能器,吸收液压冲击,减小启动阶段的冲击振荡.利用AMESim软件建立管片拼装机回转系统仿真模型,通过对比仿真数据与实验数据验证了该模型的有效性,利用修正后的仿真模型对管片拼装机回转系统进行仿真分析.结果表明,采用提出的高速-低冲击控制方法,可以将管片拼装机回转系统的转速由当前的1.5r/min提高到6r/min,能够有效地降低启动阶段的系统冲击,避免出现系统冲击力矩随转速升高而变大的现象.

关键词：盾构机管片拼装机回转系统电液控制系统冲击力矩

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基于梯度虚拟材料的栓接结合部连接参数表征

机械工程学报 2018年第11期54卷 102-109页

作者：孙清超黄庆涛孙志勇齐艳华孙伟大连理工大学机械工程学院苏州汇川技术有限公司

螺栓连接是应用最广泛的装配形式之一,表征栓接结合部连接参数是进行装配体结构动力学分析的关键,针对各向同性虚拟材料模型不能准确表征结合面压力分布不均匀性的问题,提出并开发一种基于梯度虚拟材料的栓接结合面连接参数表征模型。... 详细信息

螺栓连接是应用最广泛的装配形式之一,表征栓接结合部连接参数是进行装配体结构动力学分析的关键,针对各向同性虚拟材料模型不能准确表征结合面压力分布不均匀性的问题,提出并开发一种基于梯度虚拟材料的栓接结合面连接参数表征模型。首先根据结合面压力分布特征,以及结合面法向、切向刚度与压力分布间的映射关系,建立了等效虚拟材料参数随位置坐标的变化规律模型;分别采用等参梯度单元和高斯积分点料属性梯度分布单元等效表征结合部连接参数,采用结构静力学、动力学分析方法进行分析,通过对比不同类型单元静力学、动力学计算结果,验证梯度材料单元的准确性;进而研究了基于代理模型的梯度虚拟材料参数辨识方法,采用拉丁超立方采样来获取样本点,采用Kriging模型拟合连接参数,应用遗传算法优化虚拟材料参数。采用均匀虚拟材料模型、各向异性虚拟材料模型及梯度虚拟材料模型的仿真结果与试验数据对比,表明梯度虚拟材料模型是一种表征栓接结合部压力/刚度分布特性的有效方法。

关键词：栓接结合部压力不均匀梯度虚拟材料参数辨识代理模型

以MATLAB GuI为平台的代理模型优化设计工具箱

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机械设计与制造 2021年第8期366卷 103-106,112页

作者：高玉琼吕利叶李建飞宋学官大连理工大学机械工程学院辽宁大连116023

为便捷解决常见工程优化设计问题,设计出一种基于代理模型的优化设计工具箱(Surrogate-Based Design and Optimization Toolbox,SBDO Toolbox)。该工具箱基于代理模型理论,借由MATLAB GuIDE功能开发,借助了MATLAB强大的数学计算分析能力... 详细信息

为便捷解决常见工程优化设计问题,设计出一种基于代理模型的优化设计工具箱(Surrogate-Based Design and Optimization Toolbox,SBDO Toolbox)。该工具箱基于代理模型理论,借由MATLAB GuIDE功能开发,借助了MATLAB强大的数学计算分析能力,主要包含三个模块,分别是试验设计(Design of Experiment,DOE)模块、建立代理模型模块和预测及优化模块。在使用该工具时,用户可根据提示依次打开上述模块对应的界面窗口,输入相互独立的自变量信息,改变设置选项或保持默认状态值,即可得到图形化显示的结果,完成相关工程优化问题。该工具箱中各个模块中的数据传递是连续的,使得整个设计优化过程更加完整和统一。采用25个不同形态的数值函数对该工具箱的可用性与实用性进行测试,数值算例表明此工具箱可以应用于工程优化设计案例中,不具备代理模型相关知识的普通用户便可轻松解决常见工程优化设计问题。开发此工具箱的目的在于简化基于代理模型技术的优化设计的步骤和操作,推广代理模型优化设计方法的使用。

关键词： MATLAB 用户界面代理模型试验设计优化设计

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约束空间下的试验设计算法及其工程应用

约束空间下的试验设计算法及其工程应用

作者：杜丽大连理工大学

学位级别：硕士

试验设计(design of experiment,DoE)是关于如何按照预定的目标来制订适当的实验方案,以便于对实验结果进行有效的统计分析的数学原理和实施方法,一般通过空间填充特性和投影特性评估DoE方法的优劣。近年来,代理模型等数据驱动的设计方... 详细信息

试验设计(design of experiment,DoE)是关于如何按照预定的目标来制订适当的实验方案,以便于对实验结果进行有效的统计分析的数学原理和实施方法,一般通过空间填充特性和投影特性评估DoE方法的优劣。近年来,代理模型等数据驱动的设计方法逐渐兴起,而良好的试验设计是保证数据驱动的设计方法有效性及结果可靠性的必要前提。目前,无约束空间的DoE研究取得较大进展,但对于约束空间中的试验设计的研究仍无太多成果与太大进展。现有的DoE方法无法解决约束空间条件下抽样问题,因此本文基于现有的无约束空间的取样方法——连续局部枚举拉丁超立方取点,提出了针对约束空间的连续局部枚举拉丁超立方取点策略方法(sequential local enumerationbased Latin hypercube sampling for constrained design space,SLE-CLHS),称为SLE-CLHS取点策略,所提出的方法可以在由各个变量之间的约束关系建立的约束空间中有效取点,通过若干工程案例证明所提出取点策略有效性及均匀性,详细如下。(1)SLE-CLHS算法考虑了样本变量之间的约束,可直接用于约束设计空间的可行域采样。在采样过程中先剔除不满足约束条件的点,然后在可行域中产生新的点,新点在约束空间中以一定的方法和步长继续搜索,直到该点达到满足整体抽样的空间填充性和投影性。(2)本文通过3个数值案例,即二维空间的正则凸约束、三维球体的1/8约束空间和不规则凸约束来对SLE-CLHS方法进行数值验证,结果表明,用该方法取得的样本点能完全处于约束空间中,并充分满足DoE方法的空间填充特性和投影特性要求(3)本文将SLE-CLHS方法应用于无人机旋翼的优化和挖掘机动臂优化。在无人机旋翼优化中,利用SLE-CLHS算法来对四个具有耦合关系的参数在可行域内采样。建立代理模型并结合遗传算法,以转矩Torque为优化目标,参数耦合关系和升力为约束条件进行进一步的优化,最终得到优化后的翼型的扭矩Torque减少了10.53%,这意味着悬停效率得到了较大的提升,无人机的性能也得到了较大的提升;SLE-CLHS算法在挖掘机动臂优化中的应用中,我们对矿用挖掘机的实际尺寸对动臂进行建模并建立最优数学模型,针对动臂的质量、应力和疲劳寿命进行优化。在通过SLE-CLHS算法对耦合参数在可行域内进行采样设计之后,我们得到了完整的六维空间采样点。通过建立代理模型并优化得到了优化后的动臂质量,优化后的动臂质量和与此相对应的最大应力和疲劳寿命值都满足约束。试验结果表明SLE-CLHS能取得更小的?值,说明SLE-CLHS取得的样本点比随机LHS取得的样本点具有更好的空间填充性能和投影性能,该方法能够在约束空间中进行有效取点,这对于试验设计的进一步发展无疑有着重大的意义。

关键词：试验设计约束空间连续局部枚举约束试验设计代理模型优化设计