基于密度体积插值方法的结构拓扑优化

针对变密度法结构拓扑优化中灰度单元的控制问题,提出了一种密度体积插值方法。该方法构造的刚度与相对密度之间的线性关系保证了迭代中单元刚度变化的稳定性;构造体积与相对密度之间的惩罚关系以实现惩罚中间密度,同时更有利于在中间密度向两端逼近的同时降低灰度单元的数量。应用该插值方法对位移约束体积最小化问题进行求解,所得结果显示,增大惩罚程度,优化过程浮动较小,算法相对稳定。与应用SIMP方法和RAMP方法的优化结果相比较可知,在求解同一结构拓扑优化问题时,采用该方法且增大惩罚程度后的优化结果中灰度单元减少明显。     

基于人工材料密度的新型拓扑优化理论和算法研究

对基于人工材料密度的拓扑优化理论作了深入分析;推导出了一种基于人工材料密度的拓扑优化准则算法,将该算法应用于拓扑优化的计算中,并给出了基于人工材料密度的拓扑优化迭代分析流程;提出了一种卷积因子方法,用于消除拓扑优化计算结果中易出现的棋盘格式和多孔材料现象;通过数值计算验证了理论和算法的有效性;分析讨论了不同优化参数对拓扑优化计算结果的影响。     

一种考虑密度补偿的变过滤半径敏度过滤方法

固定过滤半径的敏度过滤方法可以有效解决棋盘格现象和网格依赖性,但处理后拓扑优化结果普遍存在边界扩散现象,图形边缘存在大量的灰度单元。提出了一种考虑密度补偿的变过滤半径敏度过滤方法,即正向补偿相对密度为0.5~1的单元,反向补偿相对密度为0~0.5的单元,同时在拓扑优化计算的后期逐步缩小过滤半径至1。结合固体各向同性惩罚微结构模型,利用经典结构柔度最小化算例验证可行性。研究结果表明,考虑密度补偿的变过滤半径敏度过滤方法能够消除棋盘格现象,体现了网格无关性,拓扑优化结果具有清晰的边界,且优化效率和优化效果明显提升。     

基于连续密度变量的结构支撑布局优化设计

支撑布局的优化设计是决定结构设计质量与力学品质的关键因素 ,论文提出了用拓扑优化技术进行支撑布局优化设计的一种方法。为了实现结构动力学性能优化 ,采用拓扑优化方法中的虚拟密度技术 ,将支撑单元布局这一离散变量问题转化为连续变量优化问题。该方法以虚拟密度作为设计变量 ,基于单元刚度矩阵与设计变量的指数对应关系 ,建立了结构固有频率对设计变量的灵敏度计算格式 ,实现了动力学优化。论文给出了支撑布局拓扑优化的实例 ,这些问题对于检验论文中所使用的拓扑优化方法的可行性和结果的可信度有很大帮助 ,同样对于这种方法的推广应用也有很大指导意义。计算结果表明 ,拓扑优化方法不仅能够解决结构布局优化设计问题 ,而且在模型建立合理的情况下 ,也能够有效地对支撑布局进行动力学优化     

基于SIMP-MMC结构尺寸精确控制拓扑优化方法

随着结构拓扑优化方法的发展,为提高其优化结果的工程可制造性,部分学者提出了整合现有拓扑优化方法的策略.具体地,探讨了基于变密度法与可移动变形组件法相融合的拓扑优化方法.该方法首先利用变密度法中的幂函数特性,以快速获得结构主传力路径;其次针对变密度法中的灰度单元,提出采用Otsu阈值处理算法以最大化反映二值拓扑结构信息;...     

基于变密度法的多材料与结构一体拓扑优化研究

针对多材料连续体结构拓扑优化问题,基于3D打印技术的发展,将材料可由多种不同材料按任意比例混合组成的技术应用于多材料拓扑优化问题中。在变密度法结构拓扑优化方法基础上,提出了一种双材料混合结构拓扑优化模型及其计算方法;在该模型中以单元密度作为设计变量,同时增加单元中两种材料混合比例为设计变量;最后通过两个算例对所提出方法的有效性进行了验证。研究结果表明:采用该方法进行结构拓扑优化的同时,可以得到两种材料的混合比例,实现基于各向同性固体材料插值模型(SIMP)的多材料与结构一体拓扑优化。     

基于变密度法的散热结构拓扑优化设计

在航空航天、汽车、集成电路等领域,设备结构的热防护问题是广泛研究的热点。传统基于经验的结构设计方法已不能满足实际工程对热防护结构的高性能需求,拓扑优化设计技术的发展为工程热防护结构的设计带来了一条新的途径。基于变密度法研究了稳态热传导条件下散热结构拓扑优化设计问题。以材料密度为设计变量、材料体分比为约束,建立了以结构散热弱度最小化为目标的拓扑优化模型。在传统优化准则法中引入灰度过滤机制,提出敏度过滤和灰度过滤相结合的过滤机制,实现设计变量的更新,有效抑制了灰度单元的产生;将预处理共轭梯度法引入三维散热结构拓扑优化设计中,提高了计算效率。采用二维和三维算例,验证了所构建拓扑优化模型和提出方法的可行性和有效性。     

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

针对自由阻尼结构拓扑优化问题,采用模态应变能的有限元求解方法,以单元相对密度值为拓扑设计变量,以材料用量和频率改变量为约束条件,构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型,推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时,目标函数存在非凸性,迭代过程中出现负值设计变量,使得优化结果不收敛或陷入局部优化,故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题,保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真,并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶,结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时,各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定,单元中间密度值区域相对较少,自由阻尼结构获得了有效的减振。     

基于无网格Galerkin法的连续体结构拓扑优化方法研究

基于一种新型的数值计算方法-无网格伽辽金法（EFG）;采用拓扑优化方法中的SIMP法,以节点相对密度为设计变量、结构柔量最小为目标函数,建立结构拓扑优化的数学模型;然后采用优化准则法,推导设计变量的迭代格式,分析其灵敏度,在拓扑优化设计中采用敏度过滤技术有效地遏制了点态棋盘格的产生;最后用Matlab软件编写了相应的计算程序,完成实例优化,并将结果与基于有限元法的优化结果相比较,证明了该方法的正确性和有效性。     

基于面光滑有限元的复杂三维结构拓扑优化

为了增强拓扑优化计算对任意复杂模型的适应性,改进基于线性四面体有限元的拓扑优化结果,引入了一种新型高精度的基于面光滑有限元模型(FS-FEM)来进行拓扑优化,通过每次迭代时提供很好的梯度解及位移解,从而达到改善拓扑优化结果的目的。在基于面光滑有限元模型的拓扑优化中,以柔度最小作为目标函数,建立了基于固体各向同性材料惩罚插值(SIMP)的拓扑优化数学模型,该数学模型通过最优准则进行求解。多个不同载荷的拓扑优化数值算例说明,采用基于面光滑有限元进行拓扑优化,结果都能够单调收敛,且采用该方法建立的拓扑优化模型能抑制棋盘格现象。与商业软件OptiStruct的计算比较表明,该方法相比有限元方法能得到更合理的拓扑结构。     

面向机柜表面缺陷检测的不均匀光照和低亮度图像增强方法

光照条件是大尺寸机柜表面缺陷检测的重要影响因素。当光照分布不均匀或光照强度不足时,采集得到的机柜表面图像质量低,造成缺陷检测误差。为此,提出一种融合卡通纹理分解和最优双曲正切曲线的图像增强方法。首先,采用导向滤波将机柜表面图像分解为卡通图和纹理图,利用高斯尺度空间理论建立光照模型,实现不均匀光照去除;其次,研究图像的双曲正切曲线性质,通过图像加权拉伸实现低亮度图像增强;最后,采用对比度、亮度和灰度方差乘积对图像增强效果进行评价,同时对增强前和增强后的图像进行缺陷检测,进行对比分析验证。实验结果表明,该方法能实现光照不均且低亮度的机柜表面图像增强,机柜表面缺陷检测的准确率显著提升,召回率提高了29%,F值提高了21%。     

手指静脉图像增强算法研究

根据手指静脉图像的特点,采用了一系列增强图像的算法,分平滑去噪、锐化和二值化三个步骤实现,从而达到分离静脉区域和背景区域的目的。在平滑去噪部分,根据手指静脉图像相邻区域间灰度的关系特点,采用了梯度倒数权重平滑法,对图像进行了去噪处理;在锐化部分,采用将高频强调滤波和直方图均衡化相结合的方法,达到了增强静脉和背景对比度的较理想的效果;在二值化处理部分,根据手指静脉不同区域灰度差别较大的特点,提出了一种分区域处理的方法。试验表明,该算法能有效的分离静脉区域和背景区域。     

[表面强化及损伤机理]一种高鲁棒性的钢轨表面缺陷检测算法

利用机器视觉技术检测钢轨表面缺陷时,存在背景光照复杂、车载检测设备与钢轨相对位置发生变化等情况,严重影响了缺陷检测的准确率,为此,提出基于灰度标准差与投影积分的钢轨表面区域定位算法和基于多尺度灰度对比度的增强算法。定位算法利用灰度标准差排除复杂背景的干扰,通过投影积分获取精确的钢轨表面区域;综合不同尺度空间的灰度对比度,将钢轨表面区域图像转化为灰度对比图,实现钢轨表面缺陷的增强;采用迭代阈值分割法提取钢轨表面的缺陷。实验结果表明：提出的钢轨表面缺陷检测算法在几种不同拍摄条件下漏检率均低于6%,准确率均高于93%,用于高速有砟轨道无缝钢轨表面缺陷检测时具有较高的鲁棒性。     

路面病害检测系统中的图像增强技术

为了提高路面病害检测系统的精度和自适应能力,研究了自动路面裂缝图像增强技术。针对图像每个像素建立由邻域一致性模糊熵测度、邻域模糊方差以及全局模糊隶属度组成的模糊特征模式对所有像素进行分类,实现对像素灰度渡越点位置的准确估计;在模糊隶属度函数设计上,利用修改控制顶点和权因子可局部地修改曲线形状的功能,通过非均匀有理B样条函数设计出一种双"S"形模糊隶属度函数作为灰度变换函数。提出的路面裂缝图像增强技术中的灰度变换函数不仅能和渡越点的位置很好地结合,而且其形状调节因子具备良好的灰度集中能力,仅需很少次数迭代增强就能达到突出路面裂纹的效果。实验结果显示,利用提出的图像增强技术可使路面裂缝病害像素正确检测率达到95%,该技术很大程度地提高了路面裂缝自动检测系统的可靠性和检测精度。     

基于灰度线性建模的亚像素图像抖动量计算

为了解决凝视遥感云场景序列图像的亚像素抖动量求解问题,提出了基于灰度线性建模的亚像素序列图像抖动量计算方法。首先,利用三参数线性模型描述像素及邻域灰度,提出了一种图像灰度的线性建模方法。其次,以序列帧图像相对参考帧图像的抖动量作为线性模型中的优化变量,以参考帧图像与序列帧图像之间的相似性为优化目标,建立了亚像素抖动量解算的最小二乘优化方法,并推导得到了解析计算公式。最后,利用云场景序列图像进行了算法仿真验证。结果表明,该方法抖动量的计算误差小于0.1pixel。将该方法与传统基于特征点的配准算法进行了比较,结果显示该方法具有较高的抖动量计算精度,可应用于遥感图像几何定标、目标定位以及时序图像中目标多帧关联检测等。     

基于区域优化的等厚对接焊缝图像二值化方法

坡口镜面反射、多层多道焊坡口形貌复杂和飞溅等现象,使图像存在灰度级多、灰度分布不均和随机噪声等问题,为此提出了一种基于区域优化的等厚对接焊缝图像二值化方法。提出自适应定义ROI算法以缩减图像;基于邻域灰度极差值的分布,将ROI图像分为平缓和剧烈两区域;进一步以高质量二值化图像为目标,建立了区域判定优化模型,由最优结果确定焊缝光带区域,将该区域灰度均值作为阈值,完成二值化处理。实验结果的主观和客观评价较优,满足多层多道焊和多厚度规格钢板的实时性焊接要求。     

约束阻尼板双线性材料插值法拓扑动力学优化

为减小阻尼板质量并提高减振性能,研究了结构动力学优化技术。构建了以移动常数与模态损耗因子差值为目标、阻尼层单元密度为拓扑变量、阻尼层体积用量及振动模态频率为约束的阻尼板优化模型。利用序列凸规划法构造目标函数的凸性逼近式,采用拉格朗日乘子法解算逼近函数,以获取全局优化的阻尼层布局。利用模态损耗因子与模态应变能的本构关系推导目标函数关于拓扑设计变量的灵敏度,基于K-T条件构造拓扑变量迭代式。引入双线性插值函数惩罚拓扑变量并使其值聚集于0或1,编写并实现了悬臂阻尼板优化程序。当阻尼层体积用量控制在50%时,1阶模态损耗因子增大52.29%,灰度单元占比1.78%。阻尼板谐响应分析表明优化构形具良好减振特性。双线性插值优化既能充分发挥阻尼层的耗能效力又可大幅减少灰度阻尼单元数。     

自适应差异多尺度形态学的风力机叶片红外图像增强研究

为提高采用红外检测技术检测风力发电机叶片内部缺陷的能力，改善红外热像图的清晰度低、背景光照不均和细节识别能力弱等问题，提出了一种自适应差异多尺度形态学(ADMM)的图像增强算法。在膨胀和腐蚀运算中分别选择不同尺度的结构元素作为操作对象，采用对比度改善系数比最大值作为多尺度及差异尺度选择的目标函数；利用开、闭及顶帽运算的优势，提取多尺度下图像的明暗细节信息；通过白顶帽与黑顶帽差值运算得到细节增强信息，并与原图像融合得到增强的红外图像；通过调整图像的灰度分布达到最佳的视觉效果。仿真实验结果表明，该算法不仅有极强的鲁棒性，而且能有效地增强光照不均情况下的红外图像细节，提高红外检测在风力发电机叶片中的探伤能力。     

Color Image Modification with and without Hue Preservation

Color image modification is an essential component for several applications and the grayscale transformation is generally mapped to the color image indirectly. Although several techniques have been used for this transfer, they suffer from gamut mapping issue. In this paper, it is aimed to study the mapping of grayscale transformations to the color scale in different perspectives. Modifying the image in different color space than the original retains hue to a promising extent, but suffers from the gamut problem. A generic scheme to map grayscale changes to the color space for all kinds of spatial modification is proposed here. The hue preserving color image enhancement (HPCE) scheme discussed here is free of gamut-mapping issue and shows promising results in transferring the grayscale transformation to the color image in a simplistic manner. The proposed HPCE scheme is analysed qualitatively through visual appearance and quantitatively using color difference metrics SHAME and CID, gray image difference and EBCM measures. Different gray scale transformations such as S-type enhancement and different forms of histogram equalization techniques are applied on Berkeley dataset of 500 images to prove the efficacy of proposed algorithm.     

Design of Lattice Structures Using Local Relative Density Mapping Method

In order to solve the problem of substantial computational resources of lattice structure during optimization, a local relative density mapping (LRDM) method is proposed. The proposed method uses solid isotropic microstructures with penalization to optimize a model at the macroscopic scale. The local relative density information is obtained from the topology optimization result. The contour lines of an optimized model are extracted using a density contour approach, and the triangular mesh is generated using a mesh generator. A local mapping relationship between the elements’ relative density and the struts’ relative cross-sectional area is established to automatically determine the diameter of each individual strut in the lattice structures. The proposed LRDM method can be applied to local finite element meshes and local density elements, but it is also suitable for global ones. In addition, some cases are considered in order to test the effectiveness of the LRDM method. The results show that the solution time of the LRDM is lower than the RDM method by approximately 50%. The proposed method provides instructions for the design of more complex lattice structures.