Evolutionary Topology Optimization for Heat Conduction Fields

An effective evolutionary method for solving the structural topology design problems of heat conductive fields is presented in this paper.The topology optimization model based on minimizing the heat transport potential capacity dissipation of heat conductive field is then established and the corresponding sensitivity of objective function is derived to determine which elements would be removed of the heat conductive field for having the increment of the objective heat transport potential capacity dissipation minimized.A Filtering technique is employed in sensitivity field to eliminate numerical instabilities in the evolutionary procedure. Numerical examples are presented to demonstrate the validity and the engineering applicability of the evolutionary method by con- trast with SIMP method,meanwhile we can come to a conclusion that higher speed of convergence and clearer optimal topology dis- tribution without intermediate elements can be attained by using evolutionary strategy,with the results laying a reliable foundation for the subsequent shape and size optimizations in thermal engineering.     

随机变量下的热传导结构拓扑优化设计

研究具有随机变量的稳态热传导结构在散热弱度约束下的拓扑优化设计问题．建立了以单元相对导热系数为设计变量,导热材料体积极小化为目标函数,满足散热弱度可靠性指标为约束条件的稳态热传导结构的拓扑优化设计数学模型．基于随机因子法,利用代数综合法推导出散热弱度的数字特征的计算表达式．采用渐进结构优化方法(Evolutionary Structural Optimization,ESO)求解,并利用过滤技术消除优化过程中的数值不稳定性现象．通过两个算例验证文中模型及求解策略、方法的合理性和有效性．     

基于ANSYS平台的连续体渐进结构优化设计及其应用

基于ANSYS分析软件平台,在传统的渐进结构优化（ESO）思想的基础上,依据对结构位移灵敏度的分析,较严格地导出了结构的应力灵敏度;并根据荷载的最优传递路线概念提出了一种具有应力约束连续体结构拓扑优化的单元删除策略,从而使得在结构拓扑优化的迭代过程中,最大应力的变化尽可能小,且最优结构所对应的最大应力能控制在容许应力范围之内。若干工程算例的优化结果表明,该方法在结构优化目标质量最轻的前提下计算效率相对较高,且优化结果与工程实际要求较吻合,同时也从数值上验证了该方法的可行性和有效性。     

结构抗疲劳可靠性的水平集拓扑优化

利用应力-强度干涉理论,对结构的概率疲劳和非概率疲劳强度可靠性进行了分析,构建了以结构柔度最小为目标函数、以体积比和疲劳可靠性为约束的连续体结构拓扑优化设计模型．优化前对概率和非概率的疲劳可靠性约束进行了等价显式化处理,使得优化过程形式简单,减少了计算量．利用水平集方法进行了结构拓扑优化．两个算例的结果显示了文中优化设计模型的合理性和方法的有效性．     

统一强度双向渐进结构拓扑优化方法

在传统渐进结构优化方法基础上,采用统一强度理论提出了一种对各种性能工程材料普遍适用的统一强度双向渐进结构拓扑优化方法。该方法既可以对各向同性材料进行拓扑优化,也可以对实际工程中普遍存在的各向异性材料进行拓扑优化。算例表明,该方法不但适用于土建工程等脆性材料结构拓扑优化设计,而且在各向异性材料加工和模具设计领域具有广泛用途。     

钢筋混凝土简支深梁拓扑优化设计方法试验研究

运用拓扑优化辅助完成工程设计是近年的一种新方法。利用钢筋分离模型GBESO获取基于应力均匀化分布的最优钢筋拓扑,为解决钢筋混凝土深梁等二维构件的工程配筋设计难题提供新思路。分别参照该优化算法的解和按中国规范推荐的深受弯构件经验设计方法完成了一组钢筋混凝土简支深梁配筋设计,并进行静力对比试验。结果表明：钢筋分离模型GBESO设计的构件钢筋消耗量较低,极限承载能力较高,裂缝开展能力较强,且在破坏过程中表现出更佳的耗能能力,由此证明以斜钢筋补强斜截面的配筋设计方式更符合构件的受力机理和特性。钢筋分离模型GBESO在深梁配筋设计方面的能力得到一定的验证。     

基于不规则元胞的主轴温度－结构场耦合热拓扑优化设计方法

为了适应复杂的几何形状,避免传统的规则矩形元胞不能均匀地覆盖设计区域的问题,实现主轴结构耦合场热拓扑优化设计,提出基于不规则元胞的混合元胞自动机法（HCAM）耦合场主轴热拓扑优化设计方法. 该方法以数值传热学的相关理论为基础,用三角形元胞来替代传统的矩形元胞,并引入局部网格细化的思想,在应力集中或应变急剧变化的区域实现局部元胞细化,使得整个结构的元胞尺寸自适应变化. 通过案例对比分析验证了该方法的可行性,该方法可以有效地适应复杂结构形状、减少元胞单元和有限元网格的数量以及降低元胞单元与有限元网格之间映射的难度. 利用不规则元胞的HCAM对主轴结构进行不同工况下的温度－结构场耦合热拓扑优化设计研究,最终获得的热拓扑优化构形结果不仅减少了主轴结构材料,而且改善了其热态特性.     

Applications and verification of a computational energy dynamics model for mine climate simulations

A complete thermodynamic model is described for temperature and heat flow distribution simulation for ventilation networks in underground mines. The method is called the Computational Energy Dynamics(CED) model of the heat, mass, and energy transport. The Thermal and Humidity(TH) transport elements of the full model are described for advection, convection, and accumulation, encompassing heat capacity,radiation, latent heat for evaporation, and condensation in the airways, as well as variable heat conduction and accumulation in the rock strata. The thermal flywheel effect for time-dependent temperature field applications is included in the model solution. A CED model validation exercise is described, directly evaluating the iterated, minimized energy balance errors for the mechanical and thermal energy components for each network branch after a converged solution is determined. A simulation example relevant to mine safety and health is shown with the CED-TH model, demonstrating its capabilities in efficiency and accuracy in comparison with measurement results.     

一种新的单根垂直接地极冲击特性计算方法

基于电磁场积分方程和插值方法,建立反映接地极上固定节点传导电流变化的状态方程组,用欧拉方法得出状态方程的数值解,进而计算冲击阻抗变化曲线和地面电位的分布情况,提出分析单根垂直接地极冲击特性的新方法。     

桁架结构尺寸和形状、拓扑的渐进优化方法

提出了一种求解桁架结构尺寸，形状和拓扑组合优化的渐进优化方法。将优化问题分解为拓扑优化和尺寸、形状优化两个子问题分层求解。通过连续化的拓扑变量和近似方法构造了拓扑变量灵敏度系数计算式，由拓扑变量灵敏度系数识别和删除杆件单元。结构尺寸、形状优化采用准则法和渐进移点法的组合方法。分层优化时，在桁架中加上所有可能的杆件，先进行尺寸、形状优化，再进行拓扑优化，随后二者交替进行迭代，迭代过程的结构重量最小值即为最优解。算例表明了文中方法的有效性，以及组合优化最优解不一定是杆件数目较少的解。     

电磁场数值分析中的B样条有限元法

本文基于变分原理和B样条函数理论的应用,以矩形单元上的B样条函数作为形状函数,构造了B样条有限元法,为规则场域中电磁场分析计算问题提供了一种理想的数值计算方法。本法与通常的有限元法相比,不仅可得更高精度的位函数数值解,而且基函数的一阶导数连续,使场量计算精度也相当理想。此外,计算量和所需计算机内存容量都显著减少。文中,在不同媒质交界处,成功地引用B样条重节点理论,解决了多种媒质场域内电磁场求解问题。同时,还采用变形的B样条函数基解决了强加边界条件的处理问题。本文提供的方法通过典型示例的解析解予以验证。     

应变能约束下多随机参数连续体结构的拓扑优化

研究几何和物理参数均为随机变量的平面连续体结构在结构总应变能约束下的拓扑优化设计问题．以结构总质量均值最小化为目标函数,以结构的形状拓扑信息为设计变量,以结构总应变能概率可靠性指标为约束条件,构建了随机结构的拓扑优化设计数学模型．利用代数综合法,导出了应变能响应的均值和均方差的计算表达式．采用双方向渐进结构优化的求解策略．通过两个算例验证了本模型及求解策略的合理性和有效性．     

平面应力问题的结构拓扑优化

研究了结构拓扑优化设计问题,研究对象是二维平面结构。利用线弹性总理２的进化方法（ＥＳＯ）,针对结构拓扑优化设计所需单元网络密度较大,且优化过程需反复组建刚度矩阵的特点,提出了利用虚拟层合单元进行拓扑优化的方法。数值算例表明,此法简单有效,能够用于结构拓扑优化设计。     

弹性力学中的一种有限元高精度方法

给出了一种有限元高精度方法,即有限元差分法的一般构造原理。用这种方法形成的总刚度阵是带状对称的。收敛性分析指出,该方法的应力场收敛于最小势能解答。数值算例表明,该方法的应力及位移解答精度均显著高于经典有限元法。另外该方法具有规范的列式,能够形成通用的计算程序     

基于灵敏度分析的绝缘结构自动设计

在有限元方法基础上,给出了计算电场强度对几何设计变量灵敏度的一种新方法,使灵敏度的求解可以与求节点电位求解相类似。采用埃尔米特插值多项式代替泰勒展开式逼近目标函数,极大地降低了高阶交叉灵敏度的阶数。同时,建立了利用埃尔米特插值进行自动设计的程序,通过对大型电力变压器绝缘结构的自动设计,表明了该程序是非常有效的。     

谐和激励下的连续体结构拓扑优化

在ESO方法的基础上研究了谐和激励下连续体结构的拓扑优化问题。利用模态截断的方法和一些近似手段建立了结构的动响应表达式，并依此提出了结构优化设计评价的性能指标。采用一定的优化准则和进化优化步骤完成优化过程。算例结果表明了所提方法的有效性和合理性。     

Calculation of railway transport capacity in an emergency based on Markov process

A method is proposed to calculate the railway transport capacity in an emergency to support the dispatching work of control centers.The effect of an emergency on section transport capacity is analyzed and the basic method to calculate the transport capacity is presented.The results show that the situation-changing process in emergency is actually a Markov process.The calculation rule is presented based on division of the time segment during which the emergency lasts.The algorithm is designed to calculate the transport capacity of each time segment.The pessimistic strategy and the fuzzy strategy are proposed to determine the computing value of the transport capacity of each time segment,to satisfy the calculating requirements in different occasions.Our study shows that the method is reasonable and practical and the method can be embedded in the train dispatching system to support the operation work in an emergency.     

深埋地下洞室群动力时程分析中人工边界的设置

针对深埋地下洞室群动力时程分析中建模范围和人工边界设置问题,基于地下洞室群地震波动场的分布特征,提出一种动力时程分析中洞室群模型人工边界的设置方法。该方法允许模型不建至地表,而采用解析法求解地表反射波动场,并通过人工边界入射至模型。基于波场分离原理,使模型四周边界仅透射外行散射波,保障模型四周边界的计算精度。理论试验和实际工程计算表明,该方法计算精度较高,能满足地下洞室群动力时程计算对人工边界的精度要求,同时有效减少模型单元量,缩短动力时程的求解耗时。     

物元分析理论在钢筋混凝土结构地震损伤评估中的应用

为了充分考虑多种评估参数以提高结构损伤评估的准确性,应用可拓学理论和方法,给出钢筋混凝土结构地震损伤的经典域物元和节域物元;以整体损伤指数、最大层间位移角、滞回耗能循环次数和楼层能量集中系数作为物元,建立了损伤评估的物元模型;提出了基于物元模型的钢筋混凝土结构地震损伤综合评估方法．该方法可通过结构推覆分析和能力谱方法实现,并且全面考虑位移和能量等多种基于性能设计的因素．通过计算示例说明了该方法的应用步骤,并对该方法的合理性和有效性进行了验证．     

太阳能供暖系统室内地下储热水箱的散热规律

针对太阳能地下储热水箱布置位置的不同,利用Fluent程序对太阳能储热水箱散热进行数值模拟和计算,得出在不同工况下,储热水箱周围土壤的温度场分布。同时,建立地下储热水箱的物理模型和数学模型,分析地下储热水箱的换热特性,并结合实际工程,验证其地下储水箱全年散热量和储能量,获得水箱顶板损失量与总散热量关系。计算结果表明,在相同工况下,冬季室外储水箱能量的散失量远高于室内,室内地下储水箱顶部散热量减少,因此该方式可以用来抵消这部分能量所需的集热器面积的减少,提高储热水箱的储热效率以及减少用户投资。