基于拟物算法的脐带缆截面布局多目标优化设计

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作者 田庚 杨志勋 +3 位作者 殷旭 阎军 范志瑞 史冬岩 《哈尔滨工程大学学报》 北大核心 2025年第2期328-335,共8页

为了实现包含多种功能构件的脐带缆截面快速布局,同时保证布局后截面整体性能良好,本文综合考虑紧凑性、平衡性和热源分散性,基于主要目标法建立脐带缆截面多目标优化设计模型。构建对应的物理模型并使用拟物算法结合拟人跳坑策略对脐... 为了实现包含多种功能构件的脐带缆截面快速布局,同时保证布局后截面整体性能良好,本文综合考虑紧凑性、平衡性和热源分散性,基于主要目标法建立脐带缆截面多目标优化设计模型。构建对应的物理模型并使用拟物算法结合拟人跳坑策略对脐带缆截面进行布局设计,得到了3种代表性布局方案。通过有限元仿真进行验证了算法的有效性和可行性。结果表明:基于拟物算法优化后的截面布局在紧凑性和平衡性上有显著提升,通过该方法可以得到综合性能较好的截面布局形式,能够避免依赖长期经验进行设计的不确定性,有效提高了脐带缆结构设计效率,为实际工程设计提供有益的参考。 展开更多

关键词 脐带缆 截面布局 多目标 物理模型 拟物下降 拟人跳坑 数值仿真 优化设计

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基于遗传算法的海洋脐带缆截面布局优化设计与数值验证

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作者 杨志勋 殷旭 +4 位作者 阎军 范志瑞 史冬岩 田庚 曹冬辉 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第5期725-734,共10页

海洋脐带缆通常由不同的功能构件捆绑而成,而这些功能构件的力学性能差异很大,在外载荷的作用下,不合理的截面布局可能会导致较大的截面变形和构件间的接触压力,从而影响脐带缆服役寿命。本文首先利用最小化截面半径给出截面布局紧凑性... 海洋脐带缆通常由不同的功能构件捆绑而成,而这些功能构件的力学性能差异很大,在外载荷的作用下,不合理的截面布局可能会导致较大的截面变形和构件间的接触压力,从而影响脐带缆服役寿命。本文首先利用最小化截面半径给出截面布局紧凑性的实现方法,通过基于截面构件的拉伸刚度引入虚拟重力指标来描述截面布局的对称性,同时提出可量化的指标描述易损构件钢管之间的疲劳磨损问题。然后考虑上述三个目标建立截面布局多目标优化模型,并引入遗传算法对上述模型进行求解优化,自动得到三种具有代表性的截面优化布局。最后,通过数值模拟对不同截面优化布局进行验证与分析评价,进而得到最优截面布局设计。本文所提出的脐带缆截面布局设计优化方法可提高全局最优解搜索能力,对脐带缆结构设计具有一定的指导意义。 展开更多

关键词 脐带缆 截面布局 遗传算法 数值模拟 优化设计

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人工智能在结构拓扑优化领域的现状与未来趋势 被引量：19

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作者 阎军 许琦 +5 位作者 张起 范志瑞 杜洪泽 耿东岭 阎琨 牛斌 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期412-422,共11页

结构优化,特别是结构拓扑优化,受到学术界和工业界的广泛关注。通过发展不同的拓扑优化算法,实现了众多具有卓越力学、热学和声学等多学科性能的最优拓扑构型创新设计。然而传统的拓扑优化方法在处理大规模的拓扑优化问题的迭代过程中... 结构优化,特别是结构拓扑优化,受到学术界和工业界的广泛关注。通过发展不同的拓扑优化算法,实现了众多具有卓越力学、热学和声学等多学科性能的最优拓扑构型创新设计。然而传统的拓扑优化方法在处理大规模的拓扑优化问题的迭代过程中往往需要多次大规模有限元分析,面临巨大计算量的挑战。近年来,以机器学习为代表的人工智能方法的迅猛发展,成为拓扑优化最具有发展前景的新学科方向。通过将人工智能算法与拓扑优化框架结合,使得拓扑优化的效率大幅提高,同时也为实时拓扑优化的实现提供了可能。本文通过回顾近十年来基于机器学习拓扑优化方法研究的一些重要进展,对截止目前的研究现状进行了简要介绍。由于论文篇幅有限,本综述不涉及该领域的全部文献,其综述范围有限,且与作者本人的研究兴趣密切相关。 展开更多

关键词 结构拓扑优化 人工智能 机器学习 深度学习

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载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议 被引量：2

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作者 呼延奇 吴正新 +2 位作者 周强 孙伟 范志瑞 《载人航天》 CSCD 北大核心 2020年第4期485-491,536,共8页

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航... 针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm^2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级;而如果遭遇极端太阳粒子事件,航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层,屏蔽厚度需要约30 g/cm^2。 展开更多

关键词 载人登月 辐射防护 辐射剂量 高能带电粒子

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基于功能系统分析技术的航天器结构功能融合设计方法 被引量：2

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作者 周强 姚丽坤 +3 位作者 范志瑞 金玮玮 王羽白 许琦 《载人航天》 CSCD 北大核心 2021年第2期221-226,共6页

针对传统航天器设计方法中采用单系统单功能的设计思路难以充分发挥航天器结构性能的潜力、造成较大结构设计冗余的问题,引入功能系统分析技术(FAST)。以密封舱舱壁结构设计为实例,在设计初期以功能需求为导向,通过随机功能列表挖掘系... 针对传统航天器设计方法中采用单系统单功能的设计思路难以充分发挥航天器结构性能的潜力、造成较大结构设计冗余的问题,引入功能系统分析技术(FAST)。以密封舱舱壁结构设计为实例,在设计初期以功能需求为导向,通过随机功能列表挖掘系统部件的潜在的功能;通过层次抽象技术以及动名词技术建立产品的FAST模型,分析产品设计及改进的逻辑过程,最大可能地实现各部件的功能融合,消除功能冗余,最大限度地提高结构的性能。分析表明:多层点阵方案可实现航天器功能融合设计,其中最小传热描述在多功能融合方面效果最好。 展开更多

关键词 结构设计 功能分析 功能融合 功能系统分析技术

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海洋柔性立管防弯器结构非线性刚度拓扑优化 被引量：3

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作者 范志瑞 杨志勋 +3 位作者 许琦 苏琦 牛斌 赵国忠 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期929-938,I0002,共11页

防弯器是海洋柔性立管过弯保护的关键附件,对提高立管的结构安全性具有重要意义.目前,防弯器结构设计主要采用尺寸优化方法.然而,与拓扑优化方法相比,该方法能提供的设计空间有限,其在提高防弯器的力学性能,以及探索防弯器创新构型方面... 防弯器是海洋柔性立管过弯保护的关键附件,对提高立管的结构安全性具有重要意义.目前,防弯器结构设计主要采用尺寸优化方法.然而,与拓扑优化方法相比,该方法能提供的设计空间有限,其在提高防弯器的力学性能,以及探索防弯器创新构型方面具有很大不足.本文在Dirichlet边界条件下,以最大化弯曲刚度为目标,对同时考虑材料和几何非线性的防弯器结构拓扑优化方法进行研究.通过引入Helmholtz-PDE过滤和Heaviside惩罚,以克服优化中出现的棋盘格现象和灰度单元等数值不稳定性问题.与此同时,研究引入了对称算子,以提高往复性载荷作用下防弯器结构的承载能力和可制造性,并且采用伴随法对优化问题的灵敏度进行了推导.此外,为了提高结构分析和优化的效率,研究还基于PETSc库建立了并行程序框架.数值算例中,在材料体分比相同的情况下,对防弯器结构分别进行了2D和3D非线性拓扑优化,并对两种优化结果的承载能力进行了对比.数值算例结果表明,相比于防弯器2D拓扑优化结果,在大部分波浪载荷方向下,3D拓扑优化所给出的防弯器设计方案具有更为优越的结构性能.本文所建立的3D非线性拓扑优化技术,为深水恶劣海况下的高性能防弯器结构设计提供了新的理论模型和实现技术. 展开更多

关键词 柔性立管 防弯器 非线性优化 拓扑优化 载荷方向

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基于PETSc的非线性逆向运动并行计算方法研究

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作者 范志瑞 阎军 +4 位作者 牛斌 隋倩倩 许琦 蒋存存 赵国忠 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第6期695-703,共9页

在考虑几何非线性的有限元分析中,初始构型和变形构型是严格区分的,并且变形后的构型对结构性能和功能的实现往往具有重要意义。传统的非线性有限元分析主要面向变形前的初始构型为导向的设计问题,而对于变形后构型为导向的设计问题则... 在考虑几何非线性的有限元分析中,初始构型和变形构型是严格区分的,并且变形后的构型对结构性能和功能的实现往往具有重要意义。传统的非线性有限元分析主要面向变形前的初始构型为导向的设计问题,而对于变形后构型为导向的设计问题则有较大局限性。针对此问题,引入非线性逆向运动分析方法,为了保证大变形非线性分析迭代的收敛性和计算效率,基于PETSc函数库建立了并行分析框架,并对并行框架中的模块划分、数据并行存储以及通信锁死和负载平衡等进行了详细阐述。在算例部分,首先通过正向运动和逆向运动分析结果对比,阐述了两种分析方法的不同以及逆向运动分析方法对变形前构型求解的准确性;其次,采用不同MPI进程数对并行分析程序的效率进行了测试。结果表明,合理地选择MPI进程数目可显著提高非线性逆向运动分析的效率。 展开更多

关键词 逆向运动分析 非线性分析 有限元方法 并行计算 PETSC

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DMO方法及BCP方法对碳纤维复合材料结构拓扑优化结果影响的对比分析

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作者 杨世文 范志瑞 《汽车实用技术》 2015年第6期118-121,共4页

DMO方法和BCP方法是碳纤维复合材料结构拓扑优化中常采用的铺层角度参数化方法。不同的参数化方法对优化结果有很大的影响,合理的参数化方法选择对实际工程优化具有重要意义。本文结合算例,从收敛速率、收敛率以及编码依赖性三个方面进... DMO方法和BCP方法是碳纤维复合材料结构拓扑优化中常采用的铺层角度参数化方法。不同的参数化方法对优化结果有很大的影响,合理的参数化方法选择对实际工程优化具有重要意义。本文结合算例,从收敛速率、收敛率以及编码依赖性三个方面进行对比,分析了此两种方法对拓扑优化结果的影响,以对工程实际设计优化进行理论性指导。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料 拓扑优化 DMO方法 BCP方法

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航天器点阵夹层圆柱壳构型多学科优化设计 被引量：5

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作者 许琦 阎军 +5 位作者 蒋存存 范志瑞 郝平 周强 郭军辉 孙维 《载人航天》 CSCD 北大核心 2020年第2期152-158,共7页

针对航天器结构承载、密封及轻量化设计等苛刻设计要求,基于四面体结构的微观单胞构型,研究双层点阵夹层圆柱壳结构的单目标及多目标优化设计。优化模型以点阵夹层圆柱壳结构中的上中下板面的厚度、间距以及单胞内杆件的半径作为设计变... 针对航天器结构承载、密封及轻量化设计等苛刻设计要求,基于四面体结构的微观单胞构型,研究双层点阵夹层圆柱壳结构的单目标及多目标优化设计。优化模型以点阵夹层圆柱壳结构中的上中下板面的厚度、间距以及单胞内杆件的半径作为设计变量,在单目标优化中,以结构的质量为目标函数,获得合理的单胞分布;在多目标优化中,以最小热传导系数、最大化一阶屈曲载荷、屈服强度为目标进行优化,获得多学科优化问题的Pareto前沿。基于双层四面体点阵结构的多目标优化,给出了用于描述最小应力、最小质量、最小传热的最优解集。 展开更多

关键词 夹层圆柱壳 点阵材料 多学科优化 多功能结构

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基于代理模型的复合材料带加强筋板多目标优化

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作者 范志瑞 杨世文 《汽车实用技术》 2015年第6期111-114,130,共5页

本文以复合材料带加强筋板的质量、刚度及屈曲载荷为优化目标,在铺层约束下对加强筋的铺层数、铺层顺序以及截面尺寸进行多目标优化。为了使NSGA-Ⅱ算法适应于可变铺层数的铺层顺序优化,对算法的基因编码方式进行改造并在遗传操作中引入... 本文以复合材料带加强筋板的质量、刚度及屈曲载荷为优化目标,在铺层约束下对加强筋的铺层数、铺层顺序以及截面尺寸进行多目标优化。为了使NSGA-Ⅱ算法适应于可变铺层数的铺层顺序优化,对算法的基因编码方式进行改造并在遗传操作中引入Permutation操作。优化过程中采用代理模型对结构的刚度及屈曲载荷进行估计,减少了有限元模型的调用次数。算例表明通过优化算法的改造及代理模型的引入降低了优化成本。 展开更多

关键词 加强筋板 复合材料 多目标优化 代理模型 NSGA-Ⅱ

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某型矿用胶轮车动力源匹配的研究

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作者 叶斐 杨世文 范志瑞 《汽车实用技术》 2015年第1期49-52,共4页

随着矿山机械技术的不断提高,在矿山巷道的底板上,液压机械传动防爆无轨胶轮车被大量用来进行运输工作。然而,运输和自卸之间动力源的匹配应加以改善。本文中,在特定类型的防爆胶轮车的基础上,从上述问题出发,通过优化匹配变速箱和匹配... 随着矿山机械技术的不断提高,在矿山巷道的底板上,液压机械传动防爆无轨胶轮车被大量用来进行运输工作。然而,运输和自卸之间动力源的匹配应加以改善。本文中,在特定类型的防爆胶轮车的基础上,从上述问题出发,通过优化匹配变速箱和匹配动力源,有效提高了防爆无轨胶轮车的动力性能,验证了采用在折中匹配的基础上使用液力机械分流变矩器,以及修正变速箱换挡规律来提升柴油防爆胶轮车的动力性能的方案是合理有效的。 展开更多

关键词 矿山机械 胶轮车 优化 匹配 换挡规律

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