基于鱼群优化算法的无线传感器网络部署

摘 要：无线传感器网络的部署优化能够提高网络覆盖率和服务质量。针对由固定节点和少量移动节点构成的无线传感器网络,提出了一种基于鱼群算法的网络部署优化方案。以网络覆盖率为目标函数,将移动节点的位置迁移过程抽象为人工鱼的追尾和觅食行为。并在人工鱼状态更新过程中,加入了虚拟力影响因子来引导人工鱼的游动方向。模拟实验结果证明,融合虚拟力的鱼群算法全局寻优能力强,可有效提高网络覆盖率,优化网络性能。     

柔性天线面对星载天线的扰动研究

针对柔性天线面对星载天线的扰动问题,应用固定界面模态综合法和Lagrange方程,截取柔性天线面低阶模态,缩减星载天线系统的自由度,并通过轴末端与天线面交界面的协调关系,推导了大范围运动的星载天线刚柔耦合动力学模型,克服了忽略天线面弹性变形对刚体大范围运动的影响,所建立的耦合动力学模型计算效率高并具有足够的精度。考虑天线面为刚体和柔体情况,分别对星载天线系统进行仿真并进行对比分析,结果表明,初始时刻柔性天线面对卫星本体姿态和天线指向影响很小,随着关节力矩持续作用,激起柔性天线面震荡,加剧自身的弹性振动,进而引起星载天线的抖动,造成卫星位姿和天线指向偏差变大,严重影响了星载天线的指向精度。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

空间热载荷作用下星载天线耦合动态影响分析

为了研究空间热载荷对星载天线刚柔耦合多体系统的扰动,根据抛物反射面几何特征,采用壳体单元有限元离散化法,并考虑壳体厚度方向上的温度变化,建立了有限元列式的热传导方程;引入与应变能有关的耦合项,利用拉格朗日法推导了星载天线系统的大范围刚柔耦合动力学方程,研究了温度载荷对星载天线多体系统的动力学特性影响。仿真结果表明:空间热效应引起了动态的温度载荷,与结构变形发生耦合,诱发耦合颤振,加剧柔性反射面的弹性振动,造成卫星姿态和天线指向的扰动,严重影响了星载天线的指向精度。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

汽车乘员舱多层吸声材料的多目标优化

建立了汽车的统计能量分析模型,进行仿真与实验的误差分析,验证了所建模型的有效性,然后选取四层吸声材料布置于乘员舱顶棚,采用优化拉丁方法,以其厚度为设计变量,为降低驾驶员耳旁噪声和满足汽车结构轻量化和低成本的要求,以驾驶员头部声腔A声级降低幅度、吸声材料重量、降噪效率、材料价格和性价比为优化目标,选取30个样本点进行试验设计并通过计算得到全部响应值,之后建立了Kriging近似模型,为验证该近似模型模拟精度,任选三个新的样本点分析近似模型和仿真结果间的误差,最后以近似模型为基础执行多目标优化,与吸声材料初始组合相比,A声级降低幅度反而减小了0.289dB,但重量降低了54.8%,降噪效率提高了85.6%,材料价格降低了21.1%,性价比提高了6.0%。     

基于多工况并行任务的摩托车悬架参数多目标优化

应用摩托车动力学软件BikeSim建立了人-车系统仿真模型,对加速/制动工况下的车身俯仰角和B级路面工况下等速行驶的整车平顺性分别进行了仿真;以加速/制动工况下的俯仰角最大值和等速B级路面工况下的车身垂向、俯仰振动加速度均方根值为优化目标,以悬架特性参数为设计变量,采用iSIGHT集成BikeSim和MATLAB建立两种工况的并行计算任务,对摩托车悬架系统进行了多目标优化,根据Pareto前沿提出了一种确定目标权重的方法,得到了最优解。优化前后结果对比表明：加速/制动俯仰角和平顺性均有改善。     

基于复合优化方法立式数控加工中心的多目标优化设计

为实现加工中心动静态性能不低于优化前性能,达到整机重量最轻的要求,本文提出了一种复合优化方法来研究多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计。采用有限元分析和实验模态测试方法分析各大件动态性能,并验证了有限元模型的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,得出各大件的最大变形及应力等。以柔度为目标,采用变密度法拓扑优化设计立柱结构的外形框架;以固有频率为目标,基于元结构的可适应性动态优化方法设计加工中心的筋板结构;以固有频率和质量为目标,基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最优尺寸。最后将优化后的各大件进行整机装配,分析校核整机动静态性能。分析结果表明,优化后的整机在保证加工中心动静态性能的条件下,整机质量从12749kg减少到12127kg,减重达到4.9%,达到了整机的优化设计要求,说明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

基于代理模型的空投装备气囊缓冲系统多目标优化

基于有限元法和控制体积法建立装备-气囊系统有限元模型,并采用试验数据对模型进行验证。复杂气囊系统着陆缓冲过程仿真计算资源消耗大,难以应用传统迭代方法进行参数优化。为克服这些问题,结合扩展拉丁超立方设计,以最大着陆冲击加速度和最大翻转角度为响应,采用径向基函数构建代理模型。在代理模型基础上,利用多目标遗传算法对主气囊高度、横向宽度及排气孔面积等气囊缓冲系统参数进行了多目标优化。优化结果表明:优化后最大冲击加速度减小了15.5%,最大翻转角度减小了70.3%,缓冲性能与横向稳定性均有所提高。     

基于多目标遗传算法的传感器优化布点研究

针对目前桥梁模态试验中传感器布点优化都是基于单一准则下的研究的局限性,提出采用双准则或多准则下的传感器优化布点研究,该方法改进了以往布点优化中单一目标最优的限制,转而寻求多准则下的优化布点的满意解,而非真正严格数学意义上的最优解。采用Pareto遗传算法,设计了相应的遗传算子和编码方案,成功求解了双准则下传感器最优布点问题,优化结束时,成功给出了一组pareto最优解的前沿面,进而证明了提出的方法是可行的。     

基于疲劳寿命的旋翼气动弹性多目标优化研究

基于Hamilton原理基础上推导了旋翼桨叶有限元动力学模型和疲劳寿命计算模型。以动力学特性的固有频率,自转惯量为约束,以剖面特性参数的挥、摆、扭刚度及桨叶线性密度为设计变量,进行最小质量及最大疲劳寿命的多目标优化。采用满足溢出分析的优化算法（Satisficing Trade-off Analysis）。结果在满足各约束条件下,实现旋翼桨叶质量减少7.27％,疲劳寿命循环次数由3.98 108次到4.73 108次,寿命提高了18.7%,优化效果明显。     

高速凸轮NURBS廓线改进人工鱼群多目标动力学优化

为改善高速凸轮机构动力学性能,首先采用非均匀有理B样条（NURBS）重构凸轮廓线,建立高速凸轮单自由度弹性动力学模型,进行高速凸轮机构多目标动力学优化设计。然后利用改进人工鱼群算法求解该模型,获取系统Pareto最优解从而得到优化后的NURBS廓线。最后,分析和比较高速凸轮机构在NURBS和修正正弦两种廓线下的动力学响应。结果表明：改进人工鱼群算法可以有效解决多目标优化问题,优化后NURBS廓线运动学特性与修正正弦廓线相差不大,在一定程度上降低了高速凸轮机构的残余振动幅值,提高了高速凸轮机构的定位精度和动力性能,减少了振动和冲击的噪声。     

基于非概率模型的星载天线展开机构中同步齿轮系防卡滞研究

对某周边桁架式大型星载天线展开机构中的齿轮运动副的卡滞失效形式进行了研究。从齿轮啮合的极限位置出发,推导出了同步齿轮副不发生卡滞的条件。综合考虑齿轮加工误差、装配误差和太空环境温度等因素,利用优化算法,构建了齿轮副防卡滞的非概率可靠度计算公式。对同步齿轮副在不同装配误差和不同温度环境下的防卡滞的非概率可靠度进行了预测,并与将运动功能函数中的变量视为正态分布的概率模型下的可靠度相比较,比较结果显示两者的变化趋势相同,而且与数值仿真过程比较吻合,说明本文的方法是合理有效的。     

星载蜂窝夹层结构固面天线反射器的热变形

针对固面天线反射器在轨运行时自身结构因素受环境温度变化引起热变形的问题,以一口径为1.2 m的星载蜂窝夹层结构固面反射器为研究对象,首先采用有限元仿真软件详细分析了温度由20℃降到-80℃时,不同蒙皮材料、胶层厚度、蜂窝刚度和蜂窝的热膨胀系数（CTE）对反射器热变形型面精度均方根（RMS）的影响规律,其次采用热压罐成型工艺制备了M55J和T300蒙皮材料的两种典型蜂窝夹层结构反射器对仿真结果进行试验验证。结果表明：M55J蒙皮材料发射器的热变形比T300蒙皮材料反射器的小,同时发现发射器的热变形与胶层的厚度基本呈线性关系,胶层厚度越薄,反射器的热变形越小,且当胶层厚度一定时,蜂窝的热变形占主导因素,其刚度变化值提升2倍时影响趋势突变,此时蒙皮刚度对蜂窝热变形的抑制作用明显,当蜂窝的CTE改变11倍时,反射器热变形RMS改变值大于80%。经试验测得环境温度由20℃降到-80℃时两种典型反射器的热变形的RMS值和仿真计算差值分别为15.7%和15.2%,证明仿真结果可靠,可通过优化相应的结构参数为星载天线反射器的设计提供参考。     

An efficient local improvement operator for the multi-objective wireless sensor network deployment problem

Wireless sensor network layout, also known as sensor node deployment, is a complex NP-complete optimization task that determines most of the functioning features of a wireless sensor network. Coverage, connectivity and lifetime (handled through its opposing parameter, power consumption), are three of the most important characteristics of the service, and are taken into consideration in this article within a multi-objective approach of the problem. Leveraging on the specific properties of the wireless sensor nodes and networks, the Proximity Avoidance Coverage-preserving Operator (PACO) for local improvement is presented, described and tested. The testbed consists of a set of state-of-the-art multi-objective optimization algorithms with different configurations, and problem instances of varying size. In all the scenarios, and more specially in the algorithmic settings that already produce high performance solutions, PACO has proven to be a robust enhancement to the raw optimization technique, without requiring additional computation, that easily scales through problem complexity.     

一种基于信息熵的分布参数结构传感器/激励器优化布置方法

针对用基于有限元方法的离散坐标体系研究传感器优化布置、所得仅为结构真实动力响应近似解直接影响传感器优化布置结果问题,提出基于贝叶斯统计系统识别方法与信息熵理论的分布参数结构传感器优化布置方法。以结构模型修正为目的,用贝叶斯统计系统识别方法识别结构模型参数最优值及不确定性程度,利用信息熵定量表征结构模型参数识别结果的不确定性程度;再将传感器优化布置问题转化为连续数值优化问题,以传感器位置为优化变量,通过遗传算法极小化模型参数识别结果的不确定性(即信息熵)识别传感器的最优布置位置;获得最大结构响应信息量,即识别结构模型参数的不确定性最小。通过双墩带弹性支撑的三跨连续梁桥数值仿真研究对该方法进行验证。     

Comparison of model order reduction methods for optimal sensor placement for thermo-elastic models*

In this article an optimal sensor placement problem for a thermo-elastic solid body model is considered. Temperature sensors are placed in a near-optimal way so that their measurements allow an accurate prediction of the thermally induced displacement of a point of interest (POI). Low-dimensional approximations of the transient thermal field are used which allows for efficient calculations. Four model order reduction (MOR) methods are applied and subsequently compared with respect to the accuracy of the estimated POI displacement and the location of the sensors obtained.     

基于改进NSGA-Ⅱ算法的电-气-热综合能源系统多目标优化

随着电力、天然气和热力网络耦合紧密程度不断加深,综合能源系统协同优化成为了新的研究热点。提出一种适用于含非凸约束条件的综合能源系统多目标优化问题的改进NSGA-Ⅱ算法,通过维护全局的帕累托最优解集提升解的搜索效率,同时采用动态调整法,提高在高维等式约束下找到可行解的概率。算例分析验证了该方法的有效性。     

3D机织复合材料卫星桁架接头的抗弯刚度研究

为了研制高性能复合材料卫星桁架接头,采用三维有限元分析技术,分析了三维整体织物增强的碳纤维卫星桁架接头三通制件的等效抗弯刚度和内部应力分布,并与制件的三点弯曲实测结果进行了对比.结果表明:三通制件的等效抗弯刚度可以用有限元软件快速、方便、准确地计算出来,并可提供制件任意部位的应力分布状态,为优化制件结构设计提供理论依据.弯曲破坏实验的破坏载荷未能真实地反映接头的最大抗弯破坏承载能力,3个方管的根部应力尚未达到材料的破坏极限.