基于复合配置空间的分层机械系统多行为设计优化技术

机械系统设计中部件组成、几何形状、材料分布以及尺寸参数的确定是一件极其复杂的工作，单纯依靠人的直觉和经验是无法完成的；基于分析计算的优化技术是公认的解决这一问题的重要途径。然而，现阶段设计、分析与优化软件系统的分离状态使得实施集成设计优化技术极不方便。主要难点体现在：（1）如何基于CAD设计模型构建体现系统不同层次与行为的分析优化模型？（2）如何集成执行不同子系统与行为分析计算任务的软件系统？（3）集成计算的效率以及模型产权保护等问题。 针对上述问题，本项目开展了相关研究工作。首先，基于装配模型接触变迁关系分析，研究了表示机械系统不同运动行为的复合配置空间方法。其次，研究了基于CAD模型的分析建模方法，包括等几何分析方法和CAD-CAE集成方法。最后，项目研究了系统联合分析优化求解技术，包括分析模块封装技术、网络计算服务和提高计算效率方法。本项目在执行上述研究任务的过程中取得的下列主要研究成果。（1）具有可变运动副机械系统复合配置空间的分片连接表示方法；（2）机械系统接触状态变迁关系生成方法；（3）具有组合曲面部件的等几何分析方法；（4）组合实体CSG几何模型的等几何分析方法；（5）等几何分析中层次细分局部求解方法；（6）面向复合材料层合板结构件分析优化的CAD-CAE集成方法；(7) 发动机活塞-缸套系统的集成分析优化方法；（8）基于模型的网络设计计算服务软件设计技术。在上述研究成果基础上，课题组开发了相关软件原型系统，部分技术在发动机和某航天结构件的分析优化中进行了初步应用。 本项目取得的成果为在CAD环境下开发机械系统设计优化软件提供了一定的理论和方法基础，主要体现在：复合配置空间为行为分析提供综合建模框架；相关等几何分析方法支持在精确CAD模型上直接构建CAE模型；异地设计计算服务技术为不同分析与优化模块集成提供连接方法、同时具有知识产权保护作用。 2100433B

项目主要目标是提出支持部件知识产权保护的分层机械系统多行为设计优化理论与方法，为在参数化CAD环境下开发复杂系统的设计优化软件建立理论基础。课题将从三个方面展开研究工作：（1）对于底层子系统，通过研究其装配模型接触变迁关系建立表示其零部件位姿全体的复合配置空间，由此对底层子系统整体多行为进行参数化定义以及运动、分析和优化建模。（2）对于包含子系统的上层系统，研究利用下层子系统的运动、分析和优化模型嵌套表示上层系统相应模型的方法，通过模型分层封装与组装实现知识产权保护。（3）为了整体求解分层系统优化问题，先将嵌套多优化模型转化为等价的并行分布多优化模型，后进行协调求解；为了保证计算效率，针对单个优化模型研究偏微分方程约束优化的分析寻优联合求解方法。项目针对系统设计优化中的横向与纵向复杂性以及计算效率问题，分别提出了较为系统的研究思路，有希望攻克复杂机械系统设计优化中关键性障碍。

分层材质建模与绘制是目前计算机图形领域研究的热点和难点。由于分层材质能够更精确地描述现实世界中的材质，其在图形绘制中的应用可以显著提高绘制结果的物理真实感。本项目将从微面元理论的角度研究分层材质的建模与绘制技术，详细探讨基于微面元理论的材质模型中法向分布、Fresnel反射和微面元间阴影遮挡等在扩展到处理分层材质时的计算方式，着重讨论多次内反射、层内介质散射和吸收对次表面反射效果的影响，并基于adding-doubling方法推广到处理多层分层材质。最后，通过在离线绘制引擎和实时绘制场景中的应用来验证本项目提出的分层材质模型的有效性和高效性。相比于传统的分层材质模型，基于微面元理论的分层材质模型具有高效性、统一性、轻量级以及可扩展性等优势。本项目是材质建模与绘制方面的基础性研究工作，具有重要的学术意义和应用价值。

分层材质建模与绘制是目前计算机图形领域研究的热点和难点。由于分层材质能够更精确地描述现实世界中的材质，其在图形绘制中的应用可以显著提高绘制结果的物理真实感。本项目从微面元理论的角度研究分层材质的建模与绘制技术，详细探讨了基于微面元理论的材质模型中法向分布、Fresnel反射和微面元间阴影遮挡等在扩展到处理分层材质时的计算方式，着重讨论多次内反射、层内介质散射和吸收对次表面反射效果的影响。在此基础上，我们提出了扩展法向分布函数（ENDF）的概念，并采用扩展法向分布函数高效处理次表面反射。针对逆反射材质和特效涂料材质，我们基于扩展微面元理论提出了相应的高真实感绘制算法。最后，通过在离线绘制引擎和实时绘制场景中的应用验证了本项目提出的复杂材质建模与绘制方法的有效性和高效性。相比于传统的模型，基于微面元理论的材质模型具有高效性、统一性、轻量级以及可扩展性等优势。本项目是材质建模与绘制方面的基础性研究工作，具有重要的学术意义和应用价值。

中文名称

复合材料分层

英文名称

composite delamination

定　　义

由制造缺陷或层间残余应力等引起的复合材料铺层之间的脱黏现象。

应用学科

材料科学技术（一级学科），复合材料（二级学科），增强体（三级学科）