演化算法求解桁架多目标拓扑优化的收敛速度研究

演化算法能够同时满足结构拓扑优化的前沿领域对全局优化、黑箱函数优化、组合优化和多目标优化的需求,但采用此类算法的可行性与必要性由其收敛性与计算效率决定。本文以应力约束桁架多目标拓扑优化问题为求解对象,致力于揭示在收敛性与计算效率两方面具有竞争力的算法。首先提出评估演化算法求解拓扑优化问题收敛性与计算效率的通用方法,采用穷举法严格推导了典型桁架多目标拓扑优化问题的全局最优解,并采用超体积指标定义了多层次收敛性能准则。最后通过比较研究得到不同收敛性需求下具有最快收敛速度的演化算法,并揭示了具有竞争力的算法机制。本研究为演化算法求解多目标拓扑优化问题的收敛速度奠定了理论基础,同时为高效求解实际工程拓扑优化问题提供算法支持。     

接触力优化设计的熵正则化方法

包含单侧接触的机械和结构系统中,接触面间的局部接触力很大时,容易导致结构局部磨损和破坏。利用结构优化的手段极小化接触面上的最大接触力是调整接触面上接触力分布的一个有效途径。然而在数学上,目标函数的不可微和约束中的接触条件导致该结构优化问题属于非光滑和非凸优化问题,因而常用优化算法的优化结果是不可靠的。为此,本文提出接触力优化的一个熵正则化模型,并利用基于正则化过程的序列二次结构优化算法求解。所提的方法在数值上避免了处理不可微问题,而且正则化参数的调整还有助于获得更小的局部最优解。以离散结构为例的数值算例验证了本文的模型和算法。     

求解桁架结构极值响应的提升投影方法

求解结构的真实极值响应是结构鲁棒优化设计问题的难点,本文提出了求解桁架结构极值响应的新方法.求解结构极值响应的优化模型通常是非凸规划,只有全局最优值才能满足设计要求.然而对于这类非凸规划,求解其全局最优解和最优值是NP困难的问题.在不确定参数为桁架结构的外荷载向量的情况下,本文提出了提升投影方法将原始的非凸规划放松为非线性非光滑的凸规划问题.求解这个凸规划问题的全局最优值就可以得到结构精确极值响应的上界,从而满足了设计要求.数值算例验证了提升投影方法的可行性和高效性.     

MEMS陀螺随机噪声的多尺度时间序列建模

基于小波多尺度分析方法,使用db4小波,将MEMS陀螺仪输出数据进行深度为4的多尺度分解,在各尺度上进行信号重建,对重建后的各尺度信号进行时间序列建模,各尺度的时间序列模型的输出和作为陀螺仪的随机噪声估计.多尺度时间序列建模方法提高了建模精度,将预测误差的方差降低了一个数量级,该方法已经成功应用到某型微小型飞行器的微导航系统中.     

连续小推力航天器的深空探测轨道优化方法综述

连续小推力作用下航天器的深空探测轨道的优化设计是一个存在大量局部最优解的全局优化问题. 轨道设计流程总体上分为全局优化和局部优化. 全局优化为粗略设计, 通常在对航天器受连续推力作用下的轨道作近似处理的前提下大致确定探测序列和时间节点. 局部优化方法可分为直接法、间接法和混合法. 直接法是将连续的问题离散成一个参数优化问题. 间接法是求解由变分法和极大值原理推导的满足一阶最优必要条件的两点或多点边值问题. 混合法利用间接法推导的方程, 再离散后优化求解. 本文综述当前轨道优化设计领域最新和最常用的方法, 分析各种方法的优缺点.     

多尺度法二义性的一种解释

多尺度法是为解决含小参数系统发展起来的应用最广泛的摄动法之一. 在求解高阶近 似方程时，多尺度法一般只求特解. 用多尺度法求解van der Pol 方程的三阶解时 将出现矛盾. 以van der Pol方程为例，证明了忽略一阶修正量中的一阶谐波 项使得混合偏导数不能交换顺序，从而导致了多尺度法的二义性和另一个数学矛盾. 在求解一阶修正量时采用含有一阶谐波项的全解，消除了二义性和该矛盾. 该 方法所求得的近似解与数值解进行了比较，结果非常吻合，验证了其合理性.     

应变局部化分析的嵌入强间断多尺度有限元法

固体材料的应变局部化行为是导致结构破坏失效的重要因素之一,开展相关数值模拟分析对于结构安全性评估具有重要意义.然而由于材料的非均质和多尺度特性,采用传统数值方法进行求解时通常需要从最小特征尺度离散求解的结构,这将大幅度增加计算规模和成本.针对这一问题,本文提出了一种基于嵌入强间断模型的多尺度有限元方法.该方法从粗细两个尺度离散求解模型,首先在细尺度单元上引入嵌入强间断模型来描述单元间断特性,所附加的跳跃位移自由度则通过凝聚技术进行消除,从而保持细尺度单元刚度阵维度不变.其次,提出了一种增强多节点粗单元技术,其可根据局部化带与粗单元边界相交情况自适应动态地增加粗节点,新构造的增强数值基函数可以捕捉细尺度间断特性,完成物理信息从细单元到粗单元的准确传递以及宏观响应的快速分析;再次,在细尺度解的计算中,将细尺度解分解为降尺度解与单胞局部摄动解,从而消除弹塑性分析时单胞内部的不平衡力.最后,通过两个典型算例分析,并与完全采用细单元的嵌入有限元结果进行对比,验证了所提出算法的正确性与有效性.     

微分方程反问题的梯度正则化法

本文在微分方程反问题研究当前发展状况的基础上,提出了一种求解微分方程反问题的比较统一的方法——梯度正则化法。该方法将反问题的求解分为两个主要部分,一是展开以求补充条件对未知参数的梯度矩阵,二是正则化以解不适定的线性方程组。梯度正则化法从反问题的共性入手,未附加任何特殊的约束,所以可以适用各种类型的反问题,且在求解时不受空间维数的限制。     

模糊贴近度在多目标优化中的应用—从非劣解中寻求最优解

求解多目标优化问题的方法一般是先求出问题的非劣解,再从许多非劣解中选取好解。本文在已有非劣解的情况下,提出了各非劣解相对于理想解的的隶属度公式。运用模糊贴近度的概念从众多的非劣解中找出最贴近于理想解的最优解。该方法运用于悬索管桥结构参数的多目标优化设计中,得出了非常满意的设计方案。     

二阶非定常多宗量热传导反问题的正则解

引入Bregman距离函数及其加权函数作为正则项，应用Tikhonov正则 化方法，对二阶非定常多宗量热传导反问题进行求解. 利用测量信息和计算信息构造最小二 乘函数，将多宗量反演识别问题转化为一个优化问题. 空间上采用8节点等参元进行离散， 时域上采用时域精细算法进行离散，建立了二阶非定常多宗量热传导问题的有限元正/反演数 值模型. 该模型不仅考虑了非均质和参数分布的影响，而且也便于正反演问题的敏度分析， 可对导热系数和边界条件等宗量进行有效的单一和组合识别. 给出了相关的数值验证，对信 息测量误差以及不同正则项的计算效率作了探讨. 数值结果表明，该方法能够对二阶非定常 多宗量热传导反问题进行有效的求解，并具有较高的计算精度.     

A wavelet multiscale method for inversion of Maxwell equations

This paper is concerned with estimation of electrical conductivity in Maxwell equations. The primary difficulty lies in the presence of numerous local minima in the objective functional. A wavelet multiscale method is introduced and applied to the inversion of Maxwell equations. The inverse problem is decomposed into multiple scales with wavelet transform, and hence the original problem is reformulated to a set of sub-inverse problems corresponding to different scales, which can be solved successively according to the size of scale from the shortest to the longest. The stable and fast regularized Gauss-Newton method is applied to each scale. Numerical results show that the proposed method is effective, especially in terms of wide convergence, computational efficiency and precision.     

双相介质P波波动方程小波域多尺度模拟

相比于单相介质理论而言,双相介质理论更接近实际地层的真实情况,因此在地球物理勘探、地震工程和岩土动力学等领域有着广泛的应用。传统的波动方程数值解法由于本身固有的不足不利于求解诸如双相介质波动方程等复杂的非线性和不规则性问题;而小波方法则由于自身良好的特性可以用来构建解决此类问题的自适应性算法。本文详细推导了双相介质P波波动方程的有限差分矩阵表示形式,利用小波变换将其转移到小波域,设置阈值形成更为稀疏的迭代矩阵以构建自适应算法,从而达到减少计算量,增加地震波场数值模拟灵活性和准确性的目的。地球物理勘探的数值模拟实例验证了方法的有效性。     

利用子波分析对平壁湍流猝发现象的研究

利用槽道湍流直接数值模拟的数据库,采用子波分析的方法。对平壁湍流猝发现象的多尺度特性进行了研究,在不同惊讶上对猝发平均周期进行了统计,并利用局部标度指数研究了猝发过程的奇异性。     

壁湍流相干结构的辨识

本文评价了辨识湍流边界层近壁区域相干结构的条件采样法、自相关函数法、数字滤波法和子波分析法。结果表明：条件采样方法对门限值和平均窗宽等检测参数具有较强的依赖性，可以通过调整这些参数来选择最佳的参数值使得相干结构的误判概率达到最小。自相关函数法不需要任何参数就能够得出确定的结论，因此是一种比较客观的方法。但是，这种方法只能从统计上确定平均猝发周期，并不能实时地辨识相干结构。数字滤波法能够将湍流脉动信号分解为大尺度涡和近似各向同性的小尺度涡两部分，但是如何去掉大尺度信号中的非相干部分是仍然需要解决的问题。子波分析是分解湍流信号辨识湍流相干结构的有效手段，它能够将湍流信号在时域空间和频域空间进行双局部化分解，用能量最大准则确定相干结构对应的时间尺度参数，用子波逆变换提取相干结构对应的速度信号波形     

关于自由面压力脉动与摇板造波的等价性

考虑了一个逆问题，即在浮体运动和自由面压力分布之间是否存在某种等价性？作为这一方向努力的一部分，从二维半无限长水槽摇板造波的特例出发考察了这个问题．基于线性势流理论，导出了自由面压力分布应满足的带复数核的第一类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程，并用正则化方法得到了这类不适定的积分方程的近似正则解．结果表明，自由面压力脉动与摇板造波之间的等价性可以通过解相应的逆问题来解决．     

基于遗传算法的一种Tikhonov正则化改进方法

就Tikhonov正则化方法求解第一类算子方程进行了新的探讨,针对展平泛函的极值处理,采用了遗传算法来解决.结合遗传算法的优点,扩大了解决问题的范围.介绍了其基本原理及运算流程,作为此方法的应用,首先对一变截面悬臂梁模型进行截面积反求,另外解决了一个热传导反问题实例,证明了其方法的有效性.     

高斯牛顿技术求解偶应力反问题

建立了便于敏度分析的偶应力反问题数值求解模型,给出了直接法和伴随法两种敏度计算格式.在反演计算中采用了高斯牛顿技术对未知本构参数进行识别,探讨了测点数目、初值选取和数据噪音对反演结果的影响,数值算例给出了令人满意的结果.     

子波分析辨识壁湍流猝发事件的能量最大准则

用子波分析的方法，对用热膜测速仪得到的平板湍流边界层中流向脉动速度信号，在时域空间和频域空间同时进行时频双局部化分解．用子波系数研究了壁湍流脉动动能随尺度的分布，提出了确定壁湍流猝发事件时间尺度参数的能量最大准则，用子波逆变换得到了猝发事件对应的速度信号波形     

Wavelet analysis of coherent structures in a three-dimensional mixing layer

Wavelet analysis is applied to the results obtained by the direct numerical simulation of a three-dimensional (3D) mixing layer in order to investigate coherent structures in dimension of scale. First, 3D orthonormal wavelet bases are constructed, and the corresponding decomposition algorithm is developed. Then the Navier-Stokes equations are transformed into the wavelet space and the architecture for multi-scale analysis is established. From this architecture, the coarse field images in different scales are obtained and some local statistical quantities are calculated. The results show that, with the development of a mixing layer, the energy spectrum densities for different wavenumbers increase and the energy is transferred from the average flow to vortex structures in different scales. Due to the non-linear interactions between different scales, cascade processes of energy are very complex. Because vortices always roll and pair at special areas, for a definite scale, the energy is obtained from other scales at some areas while it is transferred to other scales at other areas. In addition, energy dissipation and transfer always occur where an intense interaction between vortices exists. The project supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education and the National Natural Science Foundation for Outstanding Youth of China (19925210)     

Characteristic time scales of velocity and pressure events

Numerical and wind tunnel simulations of full-scale wind loads on structures are usually performed at a lower Reynolds number and different turbulence parameters. One way to assess the validity of such simulations is through matching magnitudes, duration and/or spectral characteristics of simulated pressure peaks with full-scale data. Because wavelet analysis provides a time/frequency decomposition, it has been proposed as an analysis tool for the intermittent and transient pressure peaks. This work aims at answering the question as to whether different wavelets yield the same-scale decomposition of pressure peaks and velocity events and could, thus, be used as a tool for the analysis of extreme loads on structures. The results show that, by isolating the peaks or events with a modified Gaussian window prior to applying the wavelet transform, the dependence of the measured time scale on different wavelet functions is reduced. The time scales of the pressure peak and the velocity event are estimated to be about the same indicating that one contributing factor, at the peak scale, to the pressure peak lies in the variation of the incoming flow at the same scale.