三维线弹性连续体的结构拓扑优化设计

研究了基于水平集模型和SIMP方法的三维线弹性结构的拓扑优化方法，优化模型的目标是结构的柔度最小。引入水平集模型隐含描述具有复杂拓扑关系的三维线弹性结构的几何边界，以材料域的形状为变量进行灵敏度分析，构造水平集方程的速度函数，通过几何边界的演化获得结构的最优形状和拓扑。同时研究了基于SIMP方法的三维连续体结构的拓扑优化设计。对基于水平集模型和SIMP的拓扑优化方法的数值算例进行比较，结果表明，基于水平集的三维结构拓扑优化具有光滑的几何边界，数值算法稳定。     

由基于轮廓重建的表面模型构建实体几何模型

基于工业CT(ICT)图象进行反求是逆向工程的重要内容 ,由ICT图象提取轮廓并进行轮廓重建的模型为表面模型 ,只包含表面几何信息 ,而实体几何模型具有完备的几何和拓扑信息。本文论述了由轮廓重建表面模型的方法和步骤 ,提出了一种由表面模型构建实体几何模型的方法。文中还对存在分叉轮廓、内轮廓的情况提出了具体处理方法。用轮廓重建生成表面模型 ,再转成实体模型的方法可作为三维CAD系统的一种造型手段     

面向Web的MBD模型重建方法研究

针对在Web环境下重建三维CAD模型的过程中,存在几何和拓扑信息、产品制造信息丢失的问题,提出一种基于三角网格表示法与边界表示法相结合的MBD模型轻量级表示方法,并研究出相应的数据结构和格式转换方法。使用JSON文件统一表达轻量级MBD模型的几何和拓扑信息、产品制造信息及其与几何特征之间的关联关系;借助CAD系统提供的接口,经模型文件解析、信息提取整合和网格数据处理后将源MBD模型转换为JSON格式模型文件传输到Web端,借助WebGL技术完成轻量化模型的加载,实现MBD模型的Web重建。最后通过实例模型验证了方法的有效性。     

基于工业CT图像的产品CAD模型逆求

研究了基于工业CT切片图形的实体模型三维重构技术，讨论了边界配准技术，提出了基于表面识别、通过逐层体元构造和体元粘合来构造实体几何模型的重建思想，并给出了一个成功的重构实例。     

考虑可制造性的拓扑优化结果的几何重构

拓扑优化结果是一个边界呈离散阶梯状的非参数化模型,这使得拓扑优化结果的制造变得困难,因此需要将拓扑优化结果参数化几何重构,获得光滑的边界以满足机械制造要求,并且尽量不影响拓扑优化结果的结构响应。针对该问题,首先对拓扑优化结果进行二值化处理和边界识别,然后利用链码对拓扑优化结果的离散边界点进行排序和分段,最后用B样条曲线分段描述拓扑优化结果的外边界与内边界完成参数化建模。通过算例验证了几何重构方法的可行性,算例表明在满足可制造性要求的前提下,重构模型的结构响应能够较好的与拓扑优化初始设计结果保持一致,结构响应误差可以控制在5%以内。     

基于点云的边界特征直接提取技术

边界作为反求工程CAD建模的重要几何特征信息,对重建曲面模型的品质和精度起着重要的作用。首先 对点云数据进行空间三维划分,建立基于空间栅格的边界提取模型,然后通过研究线性时间复杂度的种子边界栅格识别和生长算法以及空间拓扑构型推理算法,实现从点云数据中直接获取边界信息。应用实例表明,算法的运行速度快、稳定性好,能够可靠地提取空间任意分布点云数据的内外边界。     

基于Solidworks的二次开发模型特征提取研究

通过对三维参数化设计软件Solidworks的建模型方法和模型拓扑结构的分析与研究。以VisualC 6.0作为开发工具对其进行二次开发,实现了模型拓扑信息的提取,并将模型的几何信息和拓扑信息进行保存和显示。     

基于最优匹配的三维CAD模型相似性评价算法

提出一种基于最优匹配的三维计算机辅助设计模型相似性评价算法.根据三维计算机辅助设计模型的边界表示,将相比较的两个计算机辅助设计模型拆分成面,并分别对面进行分类.将两模型中同种类型的面两两匹配,运用相应的准则计算出每对面的相似性系数δij,从而使同种类型的面形成了一个二分图.利用图论中二分图的最优匹配算法,计算出两个模型同类型面中各面的最优匹配方案,并计算出加权最优匹配值,最后将各种类型面的最优匹配值相加得到模型的相似系数,以此作为评价模型相似性的依据.为恰当地评价两个类型相同面的相似性,给出了能够综合反映面几何特征和拓扑特征的评价准则.试验表明本方法能够客观地反映两计算机辅助设计模型的相似程度,并较好地反映人视觉上的相似经验.     

结构的边界元分析及其几何形状的优化设计

本文阐述了采用边界元方法进行结构的强度和刚度分析,并通过对边界的描述以及目标函数和约束函数的定义,完成结构的几何形状优化设计,这一方法较之有限元方法易于实现,在结构形状的拓扑生成和结构重分析方面作了新的尝试,同时大大提高计算效率。     

非封闭三角网格模型边界特征的自动识别

孔洞修补是反求工程中的重点研究内容之一,孔洞修补必须要准确定位和识别孔洞边界。非封闭三角网格模型边界和孔洞边界的识别多采用人机交互方法。提出一种新的孔洞边界自动识别方法:将边界顶点和边界网格向该边界对应的投影特征平面投影以获得边界投影多边形,利用平面几何多边形内角和知识进行自动识别,若边界投影多边形所对应的无网格部分夹角总和等于多边形的内角和则为孔洞边界,反之则为模型边界。通过实例验证,该方法能够自动识别出模型边界和孔洞边界并分离,提高了在非封闭三角网格模型中孔洞边界识别的效率。     

产品反求CAD建模工程化技术研究

研究了模型边界处理方法及复杂曲面局部特征设计方法，总结了CAD模型边界的三种获取方法，提出了基于零件视图投影原理，从2D图纸合成3D边界的技术方案，提出了一种以特征点为导向、基于多视图连续变换原理的3D边界和初始曲面模型匹配方法；提出了边界特征和内部特征曲面设计方法，给出了复杂形状产品反求CAD建模应用实例。     

Optimal selection of artificial boundary conditions for model update and damage detection

Sensitivity-based model error localization and damage detection is hindered by the relative differences in modal sensitivity magnitude among updating parameters. The method of artificial boundary conditions is shown to directly address this limitation, resulting in the increase of the number of updating parameters at which errors can be accurately localized. Using a single set of FRF data collected from a modal test, the artificial boundary conditions (ABC) method identifies experimentally the natural frequencies of a structure under test for a variety of different boundary conditions, without having to physically apply the boundary conditions, hence the term “artificial”. The parameter-specific optimal ABC sets applied to the finite element model will produce increased sensitivities in the updating parameter, yielding accurate error localization and damage detection solutions. A method is developed for identifying the parameter-specific optimal ABC sets for updating or damage detection, and is based on the QR decomposition with column pivoting. Updating solution residuals, such as magnitude error and false error location, are shown to be minimized when the updating parameter set is limited to those corresponding to the QR pivot columns. The existence of an optimal ABC set for a given updating parameter is shown to be dependent on the number of modes used, and hence the method developed provides a systematic determination of the minimum number of modes required for localization in a given updating parameter. These various concepts are demonstrated on a simple model with simulated test data.     

三维散乱点云的分割与几何形体重构

研究了由三维点云重构几何形体模型的方法与步骤。提出了点云分割的2种交互方法——基于特征识剐的分割和投影裁剪分割。给出了表面数据点群的边界搜索算法和表面求交算法，实现了一种从三维点云到几何形体的分割与重构方法。     

基于轻量化模型的CAD/CAPP系统集成技术研究

针对当前计算机辅助设计、计算机辅助工艺设计系统间三维模型信息的集成和共享问题,提出了一种基于轻量化三维模型的信息集成方法。建立了基于轻量化模型的工艺信息模型。提出了基于轻量化模型的制造特征提取方法,通过设计轻量化模型几何信息提取和判断相邻表面间邻接关系的算法,建立了轻量化模型的边界表示(B-rep)模型,然后将边界表示模型与预先定义的形状特征模板进行比较,从而识别出零件的制造特征。最后通过一个实例验证了制造特征提取方法的可行性和有效性。     

基于装配结构相似的零件三维模型检索方法

提出一种基于装配结构相似的零件三维模型检索方法.将零件功能表面类型、相对位置、朝向以及面与面之间拓扑关系抽象成定性符号集合,并分别用功能面邻接图和定性几何约束图来定义零件功能表面间的拓扑关系和定性空间关系,建立零件装配结构定性模型.功能面邻接图中的环结构和分支结构分别通过断环和圆括弧描述,这样,零件装配结构就可以用字母和数字的线性序列来表示.借鉴化学数据库中化合物的线性符号表示法,对装配结构进行编码,通过装配结构码,建立零件装配结构的检索机制.并以轴承端盖为例验证方法的有效性.     

三维机器人工作空间及几何误差分析

机器人工作空间的分析和求解是机器人机构设计过程中一个非常重要的问题。本文采用基于随机概率的蒙特卡罗方法,根据关节空间到工作空间的映射关系,得到了机器人机构工作空间。因为常见的机器人属于三维空间机构,所以在以前工作的基础上,将概率方法推广到对三维机器人机构工作空间的求解上。通过深入地研究二维、三维图形的微分几何关系,在沿z方向得到每一层的边界曲线基础上,采用曲线包络的方法得到了三维工作空间曲面的形状。通过一个例子详细说明了该方法的具体使用。最后对三维工作空间进行了几何误差分析,并说明了该方法对工程实际问题的应用价值。     

基于不可压缩光滑粒子流体动力学的旋转强制动边界问题研究

利用不可压缩光滑粒子流体动力学(Incompressible smoothed particle hydrodynamics,ISPH)方法,针对螺杆挤出数值模拟中提出的旋转强制动边界问题,采用FORTRAN语言编程,进行模拟计算。采用"静态粒子法"构建二维旋转强制动边界模型,同时构建基于相对运动假设的静边界模型。采用"参考压力法"解决了"张力不稳定性"。通过将旋转动边界模型的计算结果与静边界模型,以及商业软件FLUENT的计算结果进行比较研究,结果表明:该动边界处理方法简单有效,适当选取分辨率可以同时满足计算精度与运算速度的要求,选择具有高阶可导的核函数更佳。为三维复杂模型模拟奠定了基础。同时,该方法对于不同领域中的动边界问题的研究也具有一定参考价值。     

Data fusion of acceleration and angular velocity for improved model updating

In the traditional finite element (FE) model updating, translational responses, such as acceleration, have generally been employed to identify the structural properties. However, the boundary conditions of a structure are associated with both translational and rotational DOFs. Thus, the combinational measurement of translational and rotational responses (e.g., angular velocity) would increase accuracy of FE model updating of structures, especially in identifying their boundary conditions. This paper proposes data fusion of translational and rotational responses for improved system identification using FE model updating technique. In the proposed method, the accelerometers and gyroscopes are installed in between and near the supports of a structure, respectively, and FE model updating is carried out using the natural frequencies, the translational mode shapes obtained from accelerations, and the rotational mode shapes obtained from angular velocities. Numerical and experimental verifications are carried out on simply-supported beam structures. The verifications show that the proposed FE model updating strategy based on the data fusion results in more accurate assessment of both structural properties and boundary conditions than the traditional FE model updating using translational responses only.     

Topological hierarchy-contour tracing algorithm for nests of interconnected contours

As a simple meaningful external illustration, a group of boundary contours is commonly used for representing the physical appearance of an object of interest on a 2D plane (e.g., a part drawing, CT scan image, a sliced layer, tile pattern). The illustration is understood from the composition of the contours and their attributes that include their shapes, sizes, locations and relationships. Therefore, not only is geometrical information important for contours to be useful in subsequent operations but their topological hierarchy relationships also are essential. Presented in this paper is a topological hierarchy-contour tracing algorithm that is capable of tracing nests of interconnected contours often found in practice and of identifying their topological hierarchy relationships automatically during contour tracing. The algorithm organizes contours by family rather than by group or as individual. However, contours are traced across families generation by generation instead of going deep with one family branch at a time. The outputs of the algorithm are ordered sequences of boundary pixels representing all closed contours and their topological hierarchy relationships. The algorithm has been implemented on LabVIEW, and tested with several samples to illustrate its applications.     

高速铁路声屏障几何形状声学性能数值模拟

为了弄清声屏障几何形状对高速铁路户外噪声的降噪机理和降噪效果,采用二维边界元法建立高架桥铁路声屏障噪声预测模型,分析不同几何形状结构参数对降噪性能的影响。分析中考虑列车运行速度、声源分布及频谱特性对插入损失的影响,根据车外声源识别结果建立符合我国高速铁路的声源模型;考虑车体-轨道-声屏障之间的多重反射,建立边界元计算模型;对顶部倾斜、T型、多重绕射边型、Y型、圆柱型等声屏障的结构参数的影响进行调查分析,分析中分别考虑插入损失、场点频谱及声场变化规律。研究结果表明,Y型声屏障降噪效果最好,平均插入损失提高3.4 dB(A)其次为圆柱型声屏障。