6通用集成优化软件SiPESC_OPT的设计与实现_杨春峰

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类圆曲线及其性质研究

5 结论本文提出了对含部件选择性失效传播的复杂可修系统进行可靠性与可用性计算的M C S C A 集成算法,给出了计算可靠性㊁瞬时可用性㊁区间可用性㊁平均维修时间以及平均单位时间维修次数五个指标的算法具体步骤,并最终通过实例具体说明了算法的应用㊂本文提出的算法解决了传统方法面临的两个主要问题,一是传统方法只能解决考虑部件选择性失效传播的简单系统可靠性问题,对于不能转化为串并联结构的复杂系统则无能为力,二是传统方法没有考虑系统的维修性,因此,对于复杂可修系统的可靠性与可用性评估传统方法也无从下手㊂本文提出的算法利用了计算机模拟的优势,并借鉴了具有并行计算能力的元胞自动机的思想,为含部件选择性失效传播的复杂可修系统的可靠性与可用性分析提供了一条有效的思路㊂参考文献:[1] L e v i t i nG,X i n g LD.R e l i a b i l i t y a n dP e r f o r m a n c eo fM u l t i s t a t e S y s t e m s w i t h P r o p a g a t e d F a i l u r e sH a v i n g S e l e c t i v eE f f e c t[J].R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n ga n dS y s t e mS a f e t y,2010,95(6):655‐661.[2] L e v i t i nG,X i n g LD,B e n‐H a i m H,e t a l.M u l t i‐s t a t eS y s t e m sw i t hS e l e c t i v eP r o p a g a t e dF a i l u r e s a n d I m-p e r f e c t I n d i v i d u a l a n dG r o u p P r o t e c t i o n s[J].R e l i a-b i l i t y E n g i n e e r i n g a n dS y s t e mS a f e t y,2011,96(12):1657‐1666.[3] G o b l eW M,B r o m b a c h e rAC,B u k o w s k i JV.U s i n gS t r e s s‐s t r a i nS i m u l a t i o n st o C h a r a c t e r i z eC o mm o nC a u s e[M].N e w Y o r k:S p r i n g e r,1998.[4] R o y D,D a s g u p t aT.A D i s c r e t i z i n g A p p r o a c h f o rE-v a l u a t i n g R e l i a b i l i t y o f C o m p l e x S y s t e m s u n d e rS t r e s s‐s t r e n g t h M o d e l[J].I E E E T r a n s a c t i o n so nR e l i a b i l i t y,2001,50(2):145‐150.[5] M y e r sA.K‐o u t‐o f‐N:GS y s t e m R e l i a b i l i t y w i t h I m-p e r f e c tF a u l tC o v e r a g e[J].I E E E T r a n s a c t i o n so nR e l i a b i l i t y,2007,56(3):464‐473.[6] X i n g L D.R e l i a b i l i t y E v a l u a t i o no fP h a s e d‐M i s s i o nS y s t e m sw i t hI m p e r f e c tF a u l tC o v e r a g ea n d C o m-m o n‐c a u s eF a i l u r e s[J].I E E ET r a n s a c t i o n s o nR e l i a-b i l i t y,2007,56(1):58‐68.[7] X i n g LD,D u g a n JB,M o r r i s s e t t eBA.E f f i c i e n tR e-l i a b i l i t y A n a l y s i so fS y s t e m s w i t h F u n c t i o n a lD e-p e n d e n c eL o o p s[J].M a i n t e n a n c ea n d R e l i a b i l i t y,2009,43(3):65‐69.[8] 王正,谢里阳,李兵,等.共因失效系统动态可靠性模型[J].中国机械工程,2008,19(1):5‐9.W a n g Z h e n g,X i eL i y a n g,L iB i n g,e ta l.T i m e‐d e-p e n d e n tR e l i a b i l i t y M o d e l o fS y s t e m w i t hC o mm o nC a u s eF a i l u r e[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2008,19(1):5‐9.[9] 李春洋,陈循,易晓山.考虑共因失效的多态系统可靠性优化[J].中国机械工程,2010,21(2):155‐159.L i C h u n y a n g,C h e n X u n,Y i X i a o s h a n.R e l i a b i l i t yO p t i m i z a t i o no f M u l t i‐s t a t eS y s t e mi nP r e s e n c eo fC o mm o nC a u s eF a i l u r e s[J].C h i n aM e c h a n i c a l E n g i-n e e r i n g,2010,21(2):155‐159.[10] W a n g C N,X i n g L D,L e v i t i nG.P r o p a g a t e dF a i l-u r eA n a l y s i s f o rN o n‐r e p a i r a b l e S y s t e m sC o n s i d e r-i n g B o t hG l o b a l a n dS e l e c t i v eE f f e c t s[J].R e l i a b i l i-t y E n g i n e e r i n g a n d S y s t e m S a f e t y,2012,99:96‐104.[11] 尹晓伟,钱文学,谢里阳.基于贝叶斯网络的系统可靠性共因失效模型[J].中国机械工程,2009,20(1):90‐94.Y i n X i a o w e i,Q i a n W e n x u e,X i eL i y a n g.C o mm o nC a u s eF a i l u r e M o d e lo fS y s t e m R e l i a b i l i t y B a s e do nB a y e s i a nN e t w o r k s[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i-n e e r i n g,2009,20(1):90‐94.[12] A g g a r w a lK,G u p t aJ,M i s r aK.A S i m p l e M e t h o df o rR e l i a b i l i t y E v a l u a t i o n o f aC o mm u n i c a t i o nS y s-t e m[J].I E E E T r a n s a c t i o n so n C o mm u n i c a t i o n s,1975,23(5):563‐566.[13] Y e h W C.A R e v i s e dL a y e r e d‐n e t w o r k A l g o r i t h mt oS e a r c hf o r A l ld‐m i n p a t h so fa L i m i t e d‐f l o wA c y c l i cN e t w o k[J].I E E E T r a n s a c t i o n so n R e l i a-b i l i t y,1998,47(4):436‐442.[14] A v e n T.A v a i l a b i l i t y E v a l u a t i o no fO i l/G a sP r o-d u c t i o na n dT r a n s p o r t a t i o nS y s te m s[J].R e l i a b i l i t yE n g i n e e r i n g,1987,18(2):35‐44.[15] B i l l i n t o n R,A l l a n R N.R e l i a b i l i t y E v a l u a t i o no fE n g i n e e r i n g S y s t e m s,C o n c e p t s a n d T e c h n i q u e s[M].N e w Y o r k:P l e n u m P r e s s,1992. 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All Rights Reserved.C o n s e c u t i v ek (c )‐o u t ‐o f ‐nS y s t e m so fM a r k o vD e -p e n d e n tC o m p o n e n t s [J ].I E E ET r a n s a c t i o n so nR e -l i a b i l i t y,2009,58(4):691‐693.[20] G u oH T ,Y a n g X H.A u t o m a t i cC r e a t i o n o fM a r k -o v M o d e l s f o rR e l i a b i l i t y A s s e s s m e n t o f S a f e t y I n -s t r u m e n t e d S y s t e m s [J ].R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n dS y s t e mS a f e t y,2008,93(6):829‐837.[21] X i a oG ,L i ZZ .E s t i m a t i o no fD e p e n d a b i l i t y M e a s -u r e s a n dP a r a m e t e r S e n s i t i v i t i e s o f aC o n s e c u t i v e ‐k‐o u t ‐o f ‐n :F R e p a i r a b l eS y s t e m w i t h (k-1)‐s t e p M a r k o v D e p e n d e n c e b y S i m u l a t i o n [J ].I E E E T r a n s a c t i o n s o nR e l i a b i l i t y ,2008,57(1):71‐83.[22] M a r q u e z A C ,H e g u e d a s A S ,L u n g B .M o n t e C a r l o ‐b a s e d A s s e s s m e n t o f S y s t e m A v a i l a b i l i t y[J ].R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n d S y s t e m S a f e t y,2005,88(3):273‐289.[23] D u r g oR a oK ,G o p i k aV ,S a n ya s i R a oV VS ,e t a l .D y n a m i cF a u l tT r e e A n a l y s i s U s i n g Mo n t eC a r l o S i m u l a t i o n i nP r o b a b i l i s t i cS a f e t y A s s e s s m e n t [J ].R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n dS y s t e mS a f e t y ,2009,94(4):872‐883.(编辑王艳丽)作者简介:阮渊鹏,男,1985年生㊂天津大学管理与经济学部博士研究生,杭州电子科技大学管理学院讲师㊂主要研究方向为质量与可靠性工程㊂发表论文8篇㊂何桢,男,1967年生㊂天津大学管理与经济学部教授㊁博士研究生导师㊂张旭涛,1981年生㊂天津大学管理与经济学部博士研究生,军事交通学院装备保障系讲师㊂张驰,1988年生㊂天津大学管理与经济学部博士研究生㊂类圆曲线及其性质研究陈明刘延平哈尔滨工业大学,哈尔滨,150001摘要:对偏心圆节曲线非圆齿轮传动和椭圆节曲线非圆齿轮传动的关键设计参数偏心率e 和离心率ε分别进行了分析㊂在椭圆曲线的基础上,通过改变极坐标极点,得到了一种新型的封闭曲线类圆曲线,它可以看作是更广义的椭圆曲线或偏心圆曲线㊂针对一般意义的椭圆曲线和偏心圆曲线只是类圆曲线的两种特殊类型的情况,在类圆曲线的数学表达式中,引入了两个关键设计参数偏心率e 和离心率ε,建立了具有不同性质的非圆齿轮节圆曲线方程㊂研究发现,偏心率e 可以确定类圆曲线的最小和最大向径,离心率ε可以确定类圆曲线的形状㊂类圆曲线非圆齿轮传动具有与偏心圆齿轮和椭圆齿轮类似的传动特点,同时在设计上比偏心圆齿轮和椭圆齿轮更加灵活㊁方便㊂关键词:类圆曲线;偏心圆节曲线;椭圆节曲线;非圆齿轮中图分类号:T H 3 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.10.010S t u d y o n Q u a s i -c i r c u l a rC u r v e a n d I t s P r o pe r t i e s C h e n M i n g L i uY a n p i n gH a r b i n I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,H a r b i n ,150001A b s t r a c t :T h i s p a p e r s t u d i e d t h e k e y d e s i g n p a r a m e t e r s ,t h e e c c e n t r i c i t yr a t i o e o f e c c e n t r i c c i r c u l a r c u r v e a n d t h e e c c e n t r i c i t y εo f e l l i p t i c c u r v e ,w h i c hw e r eu s e dc o mm o n l y f o rn o n ‐c i r c u l a r g e a r t r a n s -m i s s i o n .B y c h a n g i n g t h e p o l e o f t h e p o l a r c o o r d i n a t e s ,an e wt r a n s f o r m e de l l i pt i c c u r v en a m e d q u a s i ‐c i r c u l a r c u r v e c a nb e o b t a i n e d ,w h i c h c a nb e r e g a r d e d a s g e n e r a l i z e d e l l i p t i c c u r v e o r g e n e r a l i z e d e c c e n -t r i c c u r v e .A i m i n g a t t h a t t h eo r i g i n a l e l l i p t i c c u r v e a n de c c e n t r i c c u r v ew e r e j u s t s pe c i a l c a s e sof t h e q u a s i ‐c i r c u l a r c u r v e ,t w ok e y d e s ig n p a r a m e t e r s ,e c c e n t r i c i t y ra t i o e a n de c c e n t r i c i t y εw e r e i n t r o d u c e d i n t o t h em a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o no f t h e q u a s i ‐c i r c u l a r c u r v e t ob u i l dan e we x p r e s s i o no f t h e p i tc ho f n o n ‐c i r c u l a r g e a r .T h e r e s e a r c h i nd i c a te s t h a t t h ee c c e n t r i c i t y r a t i od e t e r m i n e s t h em i n i m u ma n d t h e m a x i m u mr a d i u s of t h e q u a s i ‐c i r c u l a r c u r v e a n d t h e e c c e n t r i c i t y d e t e r m i n e s t h e s h a p e o f t h e q u a s i ‐c i r -c u l a r c u r v e .T h e q u a s i ‐c i r c u l a r ge a r t r a n s m i s s i o n h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s s i m i l a r t o t h e e c c e n t r i c c i r c u l a r g e a r s a n de l l i p t i c g e a r s ,b u t i t i sm o r ef l e x i b l e a n d c o n v e n i e n t t od e s i gn .K e y wo r d s :q u a s i ‐c i r c u l a r c u r v e ;e c c e n t r i c c i r c u l a r g e a r ;e l l i p t i c g e a r ;n o n ‐c i r c u l a r g e a r 0 引言偏心圆节曲线非圆齿轮传动和椭圆节曲线非收稿日期:2012 10 08圆齿轮传动在机械系统中常常分别作为典型传动形式应用[1‐3]㊂但是,从几何学的角度来看,偏心圆和椭圆之间有着密切的渊源关系㊂通过研究椭㊃4231㊃中国机械工程第25卷第10期2014年5月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.圆和偏心圆曲线之间的渊源关系,可以揭示与椭圆和偏心圆曲线具有统一数学表达形式的一族曲线的性质㊂为了叙述方便,把这一族曲线称为类圆曲线”㊂把类圆曲线”应用到非圆齿轮传动中,可以使非圆齿轮传动的设计更加方便和灵活㊂1 偏心圆㊁椭圆节曲线的数学模型1.1 偏心圆齿轮的节曲线图1 偏心圆齿轮的节曲线图1所示为偏心圆齿轮的节曲线㊂点C 是该节曲线的圆心,点O 1是偏心圆齿轮的回转中心,a 是该节曲线的半径,r 1是该节曲线的向径㊂该偏心圆齿轮的偏心距为E =O 1C(1)由此,可以写出偏心圆齿轮节曲线的极坐标方程[4]:r 1=a 2-E 2s i n 2φ1-E c o s φ1(2)为了研究问题方便,经常把式(2)写成以下形式:r 1=a (1-e 2s i n 2φ1-e c o s φ1)(3)式中,e 为偏心率,e =E a㊂偏心圆齿轮的节曲线虽然从形状上看是一个圆,但是节曲线上的各点到回转中心的距离不相同㊂当偏心圆齿轮与另外一个齿轮啮合,中心距为常数时,这个齿轮的节曲线为非圆曲线,这两个齿轮的速比也不是常数㊂因此,偏心圆齿轮在传动中所表现出来的特征与非圆齿轮相同㊂为叙述方便,把非圆齿轮节曲线上距离回转中心最近的点称为节曲线的近端点”,距离回转中心最远的点称为节曲线的远端点”㊂1.2 变形偏心圆曲线把偏心圆齿轮节曲线的极坐标方程(式(2))写成如下形式:r 1=a [1-e 2s i n 2(n 1φ1)-e c o s (n 1φ1)](4)式中,n 1为变形偏心圆曲线的叶(支)数,为正整数㊂显然,该函数周期为2π/n 1[4]㊂当n 1=1时,式(4)与式(3)一样,所表达的是一个偏心圆㊂当n 1>1时,式(4)所表达的曲线称为变形偏心圆㊂图2为n 1=3时的变形偏心圆曲线,图3㊁图4分别为相应的相对向径(r 1/a )和相对曲率(a /ρ1)变化曲线㊂如图2~图4所示,随着偏心率的增大,变形偏心圆曲线的叶形变得越来越扁长,变形偏心圆的最大向径增大而其最小向径减小;当偏心率为零时,变形偏心圆曲线的相对曲率(a /ρ1)为常数1,也就是说,此时变形偏心圆是一个圆㊂随着偏心率的增大,变形偏心圆曲线的相对曲率(a /ρ1)发生较大变化,偏心率越大,相对曲率变化越剧烈㊂在最大向径(远端)附近,相对曲率变化较平缓,在最小向径(近端)附近,相对曲率变化较剧烈㊂1.e =02.e =0.23.e =0.44.e =0.65.e =0.8图2 偏心率对变形偏心圆曲线(n 1=3)的影响1.e =0 2.e =0.2 3.e =0.4 4.e =0.6 5.e =0.8图3 变形偏心圆曲线(n 1=3)的相对向径1.e =0 2.e =0.2 3.e =0.4 4.e =0.6 5.e =0.8图4 变形偏心圆曲线(n 1=3)的相对曲率1.3 椭圆齿轮的节曲线图5所示是椭圆齿轮的节曲线,点C 是椭圆曲线的几何中心,点O 1是椭圆曲线的焦点也是椭圆齿轮的回转中心,a 是椭圆曲线的长半轴,b 是椭圆曲线的短半轴,c 是椭圆曲线的焦距㊂选焦点O 1为极坐标的极点,O 1p 为极坐标的极轴,则椭圆曲线的极坐标方程为[5]r 1=a (1-ε2)1+εc o s φ1(5)ε=ca =a 2-b 2a㊃5231㊃类圆曲线及其性质研究陈明刘延平Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图5 椭圆齿轮的节曲线式中,ε为离心率㊂椭圆曲线是非圆齿轮传动中常用的一种节曲线,可以实现主动轮与从动轮节曲线相同的共轭传动[6‐7]㊂这在非圆齿轮传动中是不多见的㊂1.4 变形椭圆曲线把椭圆齿轮节曲线的极坐标方程(式(5))写成如下形式[8]:r 1=a (1-ε2)1+εc o s (n 1φ1)(6)式中,n 1为变形椭圆曲线的叶(支)数,为正整数㊂显然,该函数周期为2π/n 1㊂当n 1=1时,式(6)与式(5)一样,表达的是一个椭圆㊂椭圆曲线离心率越大,相对曲率的变化越剧烈,其近端和远端的相对曲率也越大㊂当n 1>1时,式(6)所表达的曲线称为变形椭圆曲线(即卵形曲线)㊂当n 1=3时,对应不同离心率的变形椭圆曲线如图6所示,变形椭圆曲线的相对向径(r 1/a )和相对曲率(a /ρ1)变化分别如图7㊁图8所示㊂由图6可以看出,随着离心率的增大,变形椭圆曲线的叶形变得越来越扁长;由图7可以看出,随着离心率的增大,变形椭圆曲线的最大向径增大而其最小向径减小;由图8可以看出,当离心率ε=0时,变形椭圆曲线的相对曲率(a /ρ1)为常数1,此时变形椭圆实际上是一个圆㊂随着离心率的增大,变形椭圆曲线的相对曲率(a /ρ1)发生较大变化,离心率越大,相对曲率变化越剧烈㊂在最大相对向径附近(远端),相对曲率变化较剧烈,在最小相对向径附近(近端),相对曲率变化较平缓㊂1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图6 离心率对变形椭圆曲线(n 1=3)的影响1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图7 变形椭圆曲线(n 1=3)的相对向径1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图8 变形椭圆曲线(n 1=3)的相对曲率2 偏心圆线与椭圆曲线性质的对比由上文分析可知,影响偏心圆曲线相对向径的关键因素是偏心圆曲线的偏心率e ,影响椭圆曲线相对向径的关键因素是椭圆曲线的离心率ε㊂因此,可以说影响偏心圆齿轮传动比的关键因素是其偏心率e ,影响椭圆齿轮传动比的关键因素是其离心率ε㊂非圆齿轮传动比的计算公式为[9]i =A -r 1r 1(7)式中,A 为非圆齿轮传动的中心距;r 1为主动轮节曲线向径;i 为传动比㊂传动比的最大值发生在主动轮的近端点,即i m a x =A -r m i n 1r m i n 1(8)传动比的最小值发生在主动轮的远端点,即i m i n =A -r m a x 1r m a x 1(9)最大最小传动比差值为Δi =i m a x -i m i n =A (r m a x 1-r m i n 1)r m i n 1r m a x 1(10)对于偏心圆节曲线,根据式(3),得到其最大向径为r m a x 1=a (1+e )(11)最小向径为r m i n 1=a(1-e )(12)把式(11)㊁式(12)代入式(10)得偏心圆齿轮传动的最大最小传动比差为㊃6231㊃中国机械工程第25卷第10期2014年5月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.Δi=2A ea(1-e2)(13)对于椭圆节曲线,根据式(5),得到其最大向径为r m a x1=a(1+ε)(14)最小向径为r m i n1=a(1-ε)(15)把式(14)㊁式(15)代入式(10)得椭圆齿轮传动的最大最小传动比差为Δi=2Aεa(1-ε2)(16)由式(13)㊁式(16)可以看出,偏心圆齿轮传动和椭圆齿轮传动的最大最小传动比差分别受到偏心率和离心率的影响,并且这种影响程度是相同的㊂但是,偏心圆齿轮传动的偏心率e仅影响传动比,不影响偏心圆节曲线的形状;而椭圆齿轮传动的离心率ε不仅影响其传动比,还影响椭圆节曲线的形状[10]㊂3 变形偏心圆曲线与变形椭圆曲线性质的对比通过对1.2节中变形偏心圆曲线与1.4节中变形椭圆曲线的性质进行对比可以发现,两种曲线的性质既有相同点又有差异,具体如表1所示㊂表1 变形偏心圆与变形椭圆曲线性质对比相同点叶数n1等于曲线远端点数目和近端点数目远端点极角φ1=180°n1+(j-1)360°n1j=1,2, ,n1近端点极角φ1=(j-1)360°n1j=1,2, ,n1曲线的向径变化趋势在变形偏心圆曲线与变形椭圆曲线的远端点和近端点之间,曲线的向径均为单调增大或单调减小偏心率e(离心率ε)对远近端的影响随着e(ε)的增大,变形偏心圆曲线(变形椭圆曲线)的远端越远,近端越近偏心率e(离心率ε)对相对曲率的影响随着e(ε)的增大,变形偏心圆曲线(变形椭圆曲线)的远端相对曲率增大,近端相对曲率由正变负,且其绝对值越来越大偏心率e(离心率ε)对叶形的影响变形偏心圆曲线(变形椭圆曲线)的e(ε)越大,曲线的叶形越扁长㊂不同点偏心率e(离心率ε)对相对曲率变化率的影响随着e的增大,变形偏心圆曲线的远端相对曲率变化较平缓并变得更加丰满圆润,近端相对曲率变化剧烈㊂随着ε的增大,变形椭圆曲线的远端相对曲率变化剧烈并急剧变尖,近端相对曲率变化较为平缓㊂通过对比变形偏心圆曲线和变形椭圆曲线的性质发现,在偏心率e较大时,变形偏心圆曲线的近端凹陷较剧烈,致使变形偏心圆曲线不能用作非圆齿轮的节曲线;在离心率ε较大时,变形椭圆曲线的远端变尖较剧烈,致使变形椭圆曲线不能用作非圆齿轮的节曲线㊂如果能够把变形偏心圆曲线和变形椭圆曲线的这种性质综合在一起,得到一种新型曲线,使得偏心率e或离心率ε较大时,曲线的远端变化类似变形偏心圆曲线,而曲线的近端变化类似变形椭圆曲线,那么这种新型曲线将会给非圆齿轮节曲线的设计带来很大的方便性和灵活性[11]㊂4 类圆曲线的数学模型图9所示为椭圆曲线,点O是椭圆曲线的几何中心,点C1㊁点C2是椭圆曲线的焦点,点O1是椭圆齿轮的回转中心,a是椭圆曲线的长半轴,b图9 椭圆齿轮的节曲线是椭圆曲线的短半轴,c是椭圆曲线的焦距,E是椭圆齿轮的偏心距㊂选回转中心O1为极坐标的极点,O1p为极坐标的极轴,则椭圆曲线的极坐标方程为r1=a(1-ε2)(1-ε2c o s2φ1-e2s i n2φ1)1-ε2c o s2φ1-a e(1-ε2)c o sφ11-ε2c o s2φ1(17)当令式(17)中的离心率ε=0时,则式(17)退化成式(3);当令式(17)中的偏心率e=ε时,则式(17)退化成式(5)㊂由此可见,偏心圆曲线和椭圆曲线是式(17)的特殊情况;当式(17)中ε≠0,e≠ε时,式(17)所表示的曲线具有偏心圆曲线和椭圆曲线均不具备的特性㊂由于式(17)所表达的曲线与偏心圆曲线和椭圆曲线既有渊源关系又有不同的特性,因此,把这类曲线称为类圆曲线㊂实际上,当式(17)中ε=0,e=0时,式(17)所表达的曲线是一个圆㊂类圆曲线也可以像偏心圆曲线和椭圆曲线那样,在其表达式的自变量前乘以一个正整数以实现变形,其表达式为㊃7231㊃类圆曲线及其性质研究陈明刘延平Copyright©博看网. All Rights Reserved.r 1=a(1-ε2)[1-ε2c o s 2(n 1φ1)-e 2s i n 2(n 1φ1)]1-ε2c o s 2(n 1φ1)-a e (1-ε2)c o s (n 1φ1)1-ε2c o s 2(n 1φ1)(18)当n 1=1时,式(18)与式(17)所表达的曲线相同㊂当偏心率e =0,离心率ε=0㊁0.4㊁0.6㊁0.7㊁0.8时,类圆曲线如图10所示,类圆曲线的相对向径(r 1/a )变化如图11所示,类圆曲线的相对曲率(a /ρ1)变化如图12所示㊂由图10可以看出,随着离心率的增大,类圆曲线变得越来越扁,且极坐标系的极点O 1在曲线的几何中心㊂由图11可以看出,类圆曲线的最大相对向径出现在极角φ1=0°和180°时,并且最大相对向径不随离心率ε的变化而变化;类圆曲线的最小相对向径出现在极角φ1=90°和270°时,并且最小相对向径随离心率ε的增大而减小㊂由图12可以看出,类圆曲线的最大相对向径处的相对曲率,随着离心率ε的增大而增大;类圆曲线的最小相对向径处的相对曲率,随着离心率ε的增大而减小㊂由图10~图12可以看出,当离心率ε=0时,类圆曲线实际上就是一个圆㊂因此可以说,圆是类圆曲线的一种特殊情况㊂1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图10 离心率对类圆曲线(n 1=1,e =0)的影响1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图11 类圆曲线(n 1=1,e =0)的相对向径当n 1=1,偏心率e =0.2,离心率分别取ε=0㊁0.4㊁0.6㊁0.7㊁0.8时,类圆曲线如图13所示,类圆曲线的相对向径(r 1/a )变化如图14所示,类圆曲线的相对曲率(a /ρ1)变化如图15所示㊂由图13可以看出,随着离心率的增大,类圆曲线变得越来1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图12 类圆曲线(n 1=1,e =0)的相对曲率1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图13 离心率对类圆曲线(n 1=1,e =0.2)的影响1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图14 类圆曲线(n 1=1,e =0.2)的相对向径1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图15 类圆曲线(n 1=1,e =0.2)的相对曲率越扁,且极坐标系的极点O 1偏离曲线的几何中心㊂由图14可以看出,类圆曲线的最小相对向径在离心率ε较小时,出现在极角φ1=0°时,但是,随着离心率ε的增大,最小相对向径出现的位置发生了变化;类圆曲线的最大相对向径出现在极角φ1=180°时,并且最大相对向径不随离心率ε的变化而变化㊂由图15可以看出,类圆曲线的最㊃8231㊃中国机械工程第25卷第10期2014年5月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.大相对向径附近的相对曲率,随着离心率ε的增大而增大,最小相对向径附近的相对曲率,随着离心率ε的增大而减小㊂由图13~图15可以看出,当离心率ε=0时,类圆曲线实际上就是一个偏心圆㊂通过对上述两种单叶(n 1=1)类圆曲线的分析可知,上述两种类圆曲线实际上都是椭圆曲线㊂只不过描述这两种椭圆曲线的极坐标系的极点O 1不像通常那样处在椭圆的焦点上,而是处在椭圆的长轴上,其到椭圆几何中心的距离为a e (椭圆长半轴a 与偏心率e 的乘积)㊂所谓类圆曲线实质上是在椭圆曲线的数学表达式中引入了新的参数偏心率e ,用偏心率e 描述极坐标系极点到其几何中心的距离,而离心率ε则只用来描述椭圆曲线的形状,即椭圆扁”的程度㊂而普通椭圆曲线只有一个参数离心率ε,它不仅用来描述椭圆扁”的程度,还要用来描述椭圆曲线极坐标系极点到其几何中心的距离㊂当n 1=2,偏心率e =0,离心率ε=0㊁0.4㊁0.6㊁0.7㊁0.8时,类圆曲线如图16所示,类圆曲线的相对向径(r 1/a )变化如图17所示,类圆曲线的相对曲率(a /ρ1)变化如图18所示㊂由图16可以看出,随着离心率的增大,类圆曲线的叶形变得越来越扁,且极坐标系的极点O 1位于曲线的几何中心㊂由图17可以看出,类圆曲线的最小相对向径出现在极角φ1=45°㊁135°㊁225°㊁315°时,且最小相对向径随着随离心率ε的增大而减小;类圆曲线的最大相对向径出现在极角φ1=0°㊁90°㊁180°㊁270°时,并且最大相对向径不随离心率ε的变化而变化㊂由图18可以看出,类圆曲线的最大相对向径附近的相对曲率,随着离心率ε的增大而增大,最小相对向径附近的相对曲率,随着离心率ε的增大而减小㊂由图16~图18可以看出,当离心率ε=0时,类圆曲线实际上就是一个偏心圆㊂1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图16 离心率对类圆曲线(n 1=2,e =0)的影响当n 1=2,偏心率e =0.2,离心率ε=0㊁0.4㊁0.6㊁0.7㊁0.8时,类圆曲线如图19所示,类圆曲线1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图17 类圆曲线(n 1=2,e =0)的相对向径1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图18 类圆曲线(n 1=2,e =0)的相对曲率的相对向径(r 1/a )变化如图20所示,类圆曲线的相对曲率(a /ρ1)变化如图21所示㊂由图19可以看出,随着离心率的增大,类圆曲线的叶形变得越来越扁,且极坐标系的极点O 1位于曲线的几何中心㊂由图20可以看出,在离心率ε较小时,类圆曲线的最小相对向径出现在极角φ1=0°和180°时;但是,随着离心率ε的增大,最小相对向径出现的位置发生了变化;类圆曲线的最大相对向径出现在极角φ1=90°和270°时,并且最大相对向径不随离心率ε的变化而变化㊂由图21可以看出,类圆曲线的最大相对向径附近的相对曲率随着离心率ε的增大而增大,最小相对向径附近的相对曲率,随着离心率ε的增大而减小㊂1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图19 离心率对类圆曲线(n 1=2,e =0.2)的影响当n 1=3,偏心率e =0,离心率ε=0㊁0.4㊁0.6㊁0.7㊁0.8时,类圆曲线如图22所示,类圆曲线的相对向径(r 1/a )变化如图23所示,类圆曲线的相对曲率(a /ρ1)变化如图24所示㊂由图22可以看出,随着离心率的增大,类圆曲线的叶形变得越来㊃9231㊃类圆曲线及其性质研究陈明刘延平Copyright ©博看网. All Rights Reserved.1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图20 类圆曲线(n 1=2,e =0.2)的相对向径1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图21 类圆曲线(n 1=2,e =0.2)的相对曲率越扁,且极坐标系的极点O 1位于曲线的几何中心㊂由图23可以看出,类圆曲线的最小相对向径出现在极角φ1=30°㊁90°㊁150°㊁210°㊁270°㊁330°时,且最小相对向径随着随离心率ε的增大而减小;类圆曲线的最大相对向径出现在极角φ1=0㊁60°㊁120°㊁180°㊁240°㊁300°时,并且最大相对向径不随离心率ε的变化而变化㊂由图24可以看出,类圆曲线的最大相对向径附近的相对曲率,随着离心率ε的增大而增大,最小相对向径附近的相对曲率,随着离心率ε的增大而减小㊂由图22~图24可以看出,当离心率ε=0时,类圆曲线实际上就是一个偏心圆㊂1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图22 离心率对类圆曲线(n 1=3,e =0)的影响当n 1=3,偏心率e =0.2,离心率ε分别取0㊁0.4㊁0.6㊁0.7㊁0.8时,类圆曲线如图25所示,类圆曲线的相对向径(r 1/a )变化如图26所示,类圆曲线的相对曲率(a /ρ1)变化如图27所示㊂由图251.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图23 类圆曲线(n 1=3,e =0)的相对向径1.ε=0 2.ε=0.2 3.ε=0.4 4.ε=0.6 5.ε=0.8图24 类圆曲线(n 1=3,e =0)的相对曲率可以看出,随着离心率的增大,类圆曲线的叶形变得越来越扁,且极坐标系的极点O 1位于曲线的几何中心㊂由图26可以看出,在离心率ε较小时,类圆曲线的最小相对向径出现在极角φ1=0°㊁120°㊁240°时;但是,随着离心率ε的增大,最小相对向径出现的位置发生了变化;类圆曲线的最大相对向径出现在极角φ1=60°㊁180°㊁300°时,并且最大相对向径不随离心率ε的变化而变化㊂由图27可以看出,类圆曲线的最大相对向径附近的相对曲率随着离心率ε的增大而增大,最小相对向径附近的相对曲率随着离心率ε的增大而减小㊂1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图25 离心率对类圆曲线(n 1=3,e =0.2)的影响由上述分析可知,类圆曲线的最大相对向径的位置只与类圆曲线的叶数n 1有关,与离心率ε无关,可以称相对向径最大处为类圆曲线的远端㊂类圆曲线的最小相对向径的位置不仅与类圆曲线的叶数n 1有关,还与离心率ε有关㊂为了研㊃0331㊃中国机械工程第25卷第10期2014年5月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图26 类圆曲线(n1=3,e=0.2)的相对向径1.ε=02.ε=0.23.ε=0.44.ε=0.65.ε=0.8图27 类圆曲线(n1=3,e=0.2)的相对曲率究问题方便,把离心率ε较小时的相对向径最小处称为类圆曲线的准近端,类圆曲线相对向径最小处称为类圆曲线的近端㊂综上所述,得到类圆曲线的性质如下: (1)类圆曲线的叶数n1分别等于曲线远端点数目和准近端点数目㊂(2)类圆曲线的远端点极角为φ1=180°n1+(j-1)360°n1(19)j=1,2, ,n1准近端点极角为φ1=(j-1)360°n1(20)j=1,2, ,n1(3)当离心率ε较小时,在类圆曲线的远端点和准近端点之间,曲线的相对向径是单调增大或单调减小的㊂随着离心率ε的增大,在类圆曲线的远端点和准近端点之间,曲线的相对向径不再单调增大或单调减小㊂(4)类圆曲线的远端点和准近端点不随离心率ε的变化而变化㊂(5)随着离心率ε的增大,类圆曲线的远端相对曲率增大,准近端相对曲率也增大,而其近端相对曲率由正变负,且其绝对值越来越大㊂(6)类圆曲线的离心率ε越大,曲线叶形越扁㊂(7)随着离心率ε的变化,类圆曲线的远端和准近端相对曲率的变化程度相近㊂根据上述分析,总结偏心圆曲线㊁椭圆曲线和类圆曲线的性质见表2㊂表2 偏心圆㊁椭圆㊁类圆曲线性质项目曲线类型偏心圆曲线椭圆曲线类圆曲线偏心距e有无有离心率ε无有有(准)近端位置φ1=(j-1)360°n1j=1,2, ,n近端位置与上相同与上相同与上不同远端位置φ1=180°n1+(j-1)360°n1j=1,2, ,n向径变化规律曲率变化规律近端→远端近端→远端准近端→远端单调增大单调增大ε较小时单调增大近端→远端近端→远端准近端→远端单调减小单调减小ε较小时单调减小近端近端准近端剧烈减小平缓减小较平缓增大远端远端远端平缓增大剧烈增大较平缓增大把类圆曲线的远端点极角表达式(式(19))代入类圆曲线表达式(式(18))得类圆曲线的最大向径为r m a x1=a(1+e)(21)把准近端点极角表达式(式(20))代入类圆曲线表达(式(18))得类圆曲线的最小向径为r m i n1=a(1-e)(22)则类圆曲线作为节曲线的非圆齿轮传动的最大最小传动比差为Δi=2A ea(1-e2)(23)对比图22和图25可以看出,非圆齿轮类圆节曲线的最大向径只与偏心率e有关,与离心率ε无关;而其最小向径不仅与偏心率e有关,同时也受离心率ε的影响㊂同时,由式(23)也可以看出,类圆齿轮传动的最大最小传动比差主要受偏心率e的影响,离心率ε对其影响较小(式(23)中的中心距A与离心率ε有关)㊂这样,在设计类圆节曲线非圆齿轮时,可以通过改变偏心率e和离心率ε来确定类圆曲线的最小㊁最大向径及类圆曲线的形状,满足非圆齿轮的最大㊁最小传动比要求和非圆齿轮的传动比变化规律或非圆齿轮节曲线形状的要求㊂类圆节曲线非圆齿轮的设计,要比偏心㊃1331㊃类圆曲线及其性质研究陈明刘延平Copyright©博看网. 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SiPESC平台门户界面管理模块的设计与实现

第２卷第１１期
２１０２年２月
计算机辅助工程
ＣｏｕｅｄｄＥｎｉｅｉｇｍｐｔｒＡｉｅｇｎｅｒｎ
Ｖ０｜Ｎｏ．ｌ２ｌ１Ｆｅｂ．２２０１
文章编号：０６—０７（０２Ｏ一０２０１０８１２１）ｌ０４ —８
ＳＰＳｉＥＣ平台门户界面管理模块的设计与实现
李云鹏，柳明，张盛，陈飙松，张洪武
（连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室运载工程与力学学部工程力学系，宁大连１６２）大辽１０４
摘要：对用户集成各种相关应用软件，制统一集成软件环境界面的设计需求，用插件、ＭＬ针定采Ｘ
和Ｑ技术，ｔ设计ＳＰＳｉＥＣ平台的门户界面管理模块．该模块具有良好的可扩展性和动态定制特性．
讨论门户界面管理模块的设计思想、软件框架及关键技术．合该模块的实际应用范例展示该模块结
ＬｂｒｔｙｏｔｃｒｌｎｌｉｆｒｎｕｔａＥｕｐｅｔａｉｎｖｒｉｆｅｈｏｏｙＤｌｎ１６２，ｉｎｎ，ｈｎ Байду номын сангаас ａｏａｒｆｒｔａＡａｓｄｓｉｑｉｍｎ，ＤｌｎＵｉｅｓｙｏＴｃｎｌ，ａａ１０４ＬａｉＣｉｏＳｕｕｙｓｏＩｒｌａｔｇｉｏｇａ
面向专业系统的实用性．

基于SiPESC软件的保险杠横梁截面多目标优化

．
设计开发・
基于ＳｉＰＥＳＣ软件的保险杠横梁截面多目标优化
孙文婷申国哲刘立忠马洪波伊建军
（大连理工大学）
【摘要】以某车型保险杠为例，在满足高强度钢板热成型要求的前提下，采用热成型ｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔ．Ｔｈｅｎｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｅａｍｓｅｃｔｉｏｎｉｓｐｅｒｆｏｍｅｒｄｂｙｓｏｆｔｗａｒｅＳｉＰＥＳＣ．
【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｈｏｔｆｏｒｍｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ — ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔ，ｔｈｅｏｉｒｇｉｎａｌ
Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ａｌｔｈｏｕｇｈｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｈｏｔ－ｆｏｍｅｒｄｓｉｎｇｌｅｂｕｍｐｅｒｂｅａｍｗｉｔｈｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｄｅｃｌｉｎｅｓｓｌｉｇｈｔｌｙｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｎｅｐｒｉｏｒｔｏｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｙｅｔｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｐｔｒｉｏｎｉｒｓｅｓｂｙ５．３％，ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｐｅａｋｖａｌｕｅｄｒｏｐｓｂｙ１２．３％．ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ．

面向集成化CAE软件开发的SiPESC研发工作进展

基于面向组件和插件的软件设计技术等实现，集成化功能模块包括面向核心任务管理的集成开其发环境、向系统集成的活动流程图定制工具、向大规模计算的工程数据库管理系统以及通用数面面
值算法库设计框架等．介绍基于ＳＥＣ的ＣＥ软件系统研发，ｉＳＰＡ包括开放式结构有限元分析系统及集成化结构分析与优化设计系统，并给出针对高速列车、力发电机、箭、梁与坝体等的典型工风火桥
面向集成化ＣＥ软件开发的ＡＳＰＳｉＥＣ研发工作进展
张洪武，陈飙松，李云鹏，张盛，彭海军
（大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室运载工程与力学学部工程力学系，辽宁大连１６２）１０４
摘要：针对我国自ＣＥ软件发展缓慢的事实，主Ａ根据现代工程领域的科学研究和产品研发对ＣＥＡ建模、分析和设计能力提出的需求，研发自主的面向ＣＥ工程与科学计算集成化软件平台ＳＥＣＡｉＳＰ
作者简介：张洪武（９４）辽宁庄河人，１６一，教授，博导，博士，究方向为计算力学与工程科学计算等，Ｅｍｉｚａｇｗｌ．ｄ．ｎ研（－ａ）ｈｎｈ＠ｄｔｕｃｌｕｅ
ｈｔ／ｗｗｃｉａａ．Ｕｔｐ：／ｗ．ｈｎｃｅＣ
ｐａｏｍＳＥＣＳｆａｅＩｔａｏｌｔｒｒｎｉｅｒｇａｄＳｉｎｆｏｕａｏ）ｉｄｖｌｅｌｔｒｉＳ（ｏｔｒｎｇｔｎＰａｏｆｇｅｎｎｃｔｃＣｍｐｔｉｆＰｗｅｉｒｆｍｏＥｎｉｅｉｉｔｎｓｅｅｐｄｏｗｏｅｏｊｃｖｓａｅｔｄｖｌｎｏｅ，ｌｇ—ｃｌｏｐｔｔｎｌａｄｎｅａｄｌｏｍＴｅｈｓｂｅｔｅｒｏｅｅｏａｐｎａｅｓａｃｍｕａｉａｎｉｇｔｐａｒ．ｈｉｐｒｅｏｔｒｅｆｔｉｐｅｅｔｉｆｉＥＣｅｐｏｓｂｃ—ｒｎｅｅｏ，ＭＬｔｃｎｌｙｃｏｓｐａｏｍｐｏａｍｉｇｍｌｍｎａｏｏＰＳｍｌｊｔｉｔｍｔｄＵｈｏｇ，ｒｓ－ｌｒｒｍｎｔｎＳｙｏｅｏｅｄｈｅｏｆｔｒｇ

一种改进的一维Otsu快速算法

一种改进的一维Otsu快速算法作者：郭瑞峰杨柳彭光宇袁超峰来源：《现代电子技术》2017年第20期摘要：阈值分割是众多图像分割方法中使用最普遍的一种方法，阈值的求解也是图像处理的重心。

传统Otsu算法属于穷举式的阈值求解方法，需遍历每个灰度值并计算以其为阈值的类间方差，在此进行了大量不必要的计算，可能无法应用于某些实时性要求较高的环境中。

对此提出一种快速的Otsu改进算法，在引入图像复杂度及其相关性质缩小了灰度的搜索范围，同时在搜索范围内使用了一种快速计算方法，较传统Otsu算法进行了二次加速。

实验结果证明，该算法较传统Otsu算法提高了计算速度，且两种算法的图像分割结果相同。

关键词：图像分割；图像复杂度； Otsu算法；快速计算中图分类号： TN911.73⁃34； TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2017）20⁃0042⁃04Abstract： Threshold segmentation is one of the most commonly used image segmentation methods， and the solution of threshold is also the focus of image processing. The traditional Otsu algorithm is an exhaustive threshold solution method， which needs to traverse each gray value，calculate the interclass variance taking the gray value as the threshold value， and make a large number of unnecessary calculations. As a result， the traditional Otsu algorithm may not be appropriate to be applied in some environments with high real⁃time performance requirements. Therefore， an improved fast Otsu algorithm is proposed. The hunting scope of the traversed gray was reduced after importing the image complexity and its related properties. A fast calculation method is used in the scope of the traversed gray， which executes secondary acceleration in comparison with the traditional Otsu algorithm. The experimental results show that this algorithm improves the calculation speed in comparison with the traditional Otsu algorithm， and the image segmentation results of the two algorithms are the same.Keywords： image segmentation； image complexity； Otsu algorithm； fast calculation0 引言图像分割是图像分析中的难点和重点，其目的是要将图像中感兴趣区域提取出来，以便对分割出的目标区域进行分析处理。

通用集成优化软件SiPESC.OPT的设计与实现

第２０卷第４期
２１０１年１２月
计算机辅助工程
ＣｏｕｅｄｄＥｎｉｅｒｎｍｐｔｒＡｉｅｇｎｅｉｇ
Ｖｏ＿ｌ２０Ｎｏ．４
Ｄｅ．２ｃ０ｌｌ
文章编号：０６—０７（０１０．０２０１０８１２１）４０４．７
优化方法与计算机科学结合的产物．化软件的最优终目的就是解决工程实践中的优化问题：先将实首
收稿日期：０１０－８修回日期：０１０ —０２１ —３１２１－４３
基金项目：国家自然科学基金（０１０７１７００，１８２４，１１０３５０１４０４）国家基础性发展规划项目（００Ｂ３７４；９７５３，１０２５０７０１９０５０，１２１００；２１Ｃ８２０）
ｏｔｍｉａｉｎｄｓｇｏｔｅＳＰＥＳＣ．ｐｔｚｔ￣ｅｉｎｓｆｗａｉｐｉｏａｌｒｒ．ＯＰＴ
ＹＡＮＧｕｆｎＣｈｎｅｇ，ＣＨＥＮａｓｎＢｉｏｏｇ，ＺＨＡＮＧｈｎＳｅｇ，
ＬＩＹｕｐｎｎｅｇ，ＺＨＡＮＧｎｗｕＨｏｇ
复杂的工程设计问题，然需要研发具有：仍通用设计目标、开放性的优化软件．
１优化软件系统的需求分析
最优化方法是在一定的求解域内，在满足某些
约束条件下寻找指定目标的最优解．化软件是最优

DSP芯片SCI模块在电力电子控制装置中的应用(精)

DSP 芯片SCI 模块在电力电子控制装置中的应用宗波蒋晓春王轩中国电力科学研究院１００１９２引言美国ＴＩ（ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公司的系列数字信号处理器（ＤＳＰ）芯片采用多总线的哈佛结构、流水线结构的指令操作方式、专用的硬件乘法器和快速的ＤＳＰ运算指令，具有处理速度快、接口通用、外设资源丰富、稳定性好、精度高的特点，适用于汇编或Ｃ／Ｃ＋＋语言开发，在数字信号处理、通信和工业自动化等领域得到了广泛应用［１］。

在大功率电力电子应用领域，设备往往要求具有较好的实时性、较高的可靠性以及维护的便利性，这些都为基于ＤＳＰ的控制器创造了更广阔的应用空间。

控制器内部一般具有复杂的通讯网络，而电力电子装置控制系统与监控系统之间多采用串行数据交互的通讯方式，需要一种通用、简单、可靠、移植性好的串行通信方案。

本文给出的串行数据通信方案中，控制器采用ＤＳＰ芯片的串行通讯接口（ＳＣＩ）资源，监控系统工作站采用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ的ＭＳＣｏｍｍ控件，通讯符合ＩＥＣ６０８７０－５－１０１规约。

该方案可实现基于ＤＳＰ控制的多种电力电子装置与上位机间的数据交换，模块化的设计有效缩短了电力电子控制装置的开发与研制周期，更便于电力电子装置的实验与维护。

ＳＣＩ的接收器和发送器各具有１个１６级深度的先入先出数据缓存器（ＦＩＦＯ），可减少空头服务；具有各自独立的使能位和中断位，可以在全双工通信中同时进行操作［２］。

为了确保数据的完整性，ＳＣＩ对接收到的数据进行间断检测、奇偶性校验、超时和帧出错的检查。

通过１个１６位的波特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为６５５３５种不同的方式。

串行通信接口的数据，无论是接收和发送都采用ＮＲＺ（非返回零）格式。

ＮＲＺ数据格式包括：１个起始位、１～８个数据位、１个奇／偶校验位或无奇／偶校验位、１～２个停止位、１个用于区分数据和地址的额外位。

本文选用电平转换器ＭＡＸ３２３２芯片进行Ｆ２８３３５与ＰＣ间ＴＴＬ电平和ＲＳ－２３２电平的转换。

面向集成化CAE软件开发的SiPESC研发工作进展

面向集成化CAE软件开发的SiPESC研发工作进展作者：张洪武陈飙松李云鹏张盛彭海军来源：《计算机辅助工程》2011年第02期收稿日期： 2011-03-24 修回日期： 2011-04-14基金项目：国家自然科学基金（90715037, 11072050, 10872041, 91015003, 51021140004）；国家基础性发展规划项目（2010CB832704）；国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）（2009AA044501）；教育部新世纪人才支持计划（NCET-07-0128）作者简介：张洪武（1964—），辽宁庄河人，教授，博导，博士，研究方向为计算力学与工程科学计算等，（E-mail）zhanghw@文章编号：1006-0871（2011）02-0039-11摘要：针对我国自主CAE软件发展缓慢的事实，根据现代工程领域的科学研究和产品研发对CAE建模、分析和设计能力提出的需求，研发自主的面向CAE工程与科学计算集成化软件平台SiPESC（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation）. SiPESC以开放性、大规模计算和集成性为发展目标，主要采用面向对象方法与UML技术、跨平台编程环境、XML语言以及基于面向组件和插件的软件设计技术等实现，其集成化功能模块包括面向核心任务管理的集成开发环境、面向系统集成的活动流程图定制工具、面向大规模计算的工程数据库管理系统以及通用数值算法库设计框架等.介绍基于SiPESC的CAE软件系统研发，包括开放式结构有限元分析系统及集成化结构分析与优化设计系统，并给出针对高速列车、风力发电机、火箭、桥梁与坝体等的典型工程分析示例. SiPESC现已具备计算集成的多项基本功能和子系统，为未来的发展奠定良好的基础.关键词： SiPESC； CAE软件系统；集成化软件系统中图分类号： TB115 文献标志码： AAdvancement of design and implementation of SiPESC fordevelopment of integrated CAE software systemsZHANG Hongwu, CHEN Biaosong, LI Yunpeng, ZHANG Sheng, PENG Haijun（Department of Engineering Mechanics, Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics,State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, DalianUniversity of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China）Abstract：Due to the slow development of China’s CAE software and increasing demand for the CAE modeling, analysis and design, it is of utmost importance to develop independent computational software platform for CAE engineering and for engineering and scientific computation. An integrated software platform SiPESC（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation） is developed whose objectives are to develop an open, large-scale computational and integrated platform. The implementation of SiPESC employs object-oriented method, UML technology, cross-platform programming environment, XML languages,components and plug-in-based technology. The core modules consist of tasks-oriented development environment, visual active flowchart customized tools for software integration, engineering database management system for large scale computation and the framework design for numerical algorithms library. Based on SiPESC, an open style finite element system and an integrated design optimization system are developed. Several typical engineering applications including high-speed train, wind turbine, rocket, bridge and dam are presented which demonstrate that SiPESC has built core functions for high performance computation and has the capability to integrate multiple computational systems, and therefore has laid a solid foundation for the future development.Key words： SiPESC; CAE software system; integrated software system0 引言工程与科学计算在现代科技和经济发展中的地位日益重要. 2005年，美国总统信息技术咨询委员会［1］指出：计算科学已成为科学领导地位、经济竞争力和国家安全的关键之一；并发出美国政府还没有充分认识到计算科学潜力的警示. 2006年，美国国家科学基金会［2］发表基于模拟的工程科学（Simulation-Based Engineering Science, SBES）报告，明确提出：SBES应成为工程与科学领域中国家的优先发展项目. 2010年，美国竞争力委员会［3］针对制造业发布白皮书，指出：如果美国不发展基于高性能计算技术的建模、模拟和分析，则其制造业领导地位将受到威胁.在美国科学基金会、能源部、国防部、国立卫生研究院和航空航天研究院等的联合支持下，世纪技术评估中心［4-5］于2009年和2010年发表报告强调，美国在SBES的领导地位受到威胁，需要新的科研项目、发展策略和基金资助机制等，以维持美国竞争力和重振其在该领域的繁荣.钟万勰等［6］在中国科学院咨询报告中指出：CAE技术是我国装备制造业核心竞争力之一，也是保证国家安全所必须掌握的关键技术之一. 第339次香山科学会议（）也针对此问题展开研讨.CAE主要指以计算机为工具，通过数值计算手段对各类装备和工程结构的设计、制造以及服役过程进行分析、模拟、预测、评价、优化和控制，在重大装备和结构数字化设计与制造中占据核心地位，是装备和工程结构创新设计的核心技术，对降低成本、提高设计与制造水平、缩短设计与生产周期、延长产品寿命、提高产品质量与竞争力以及催生新的设计思想与理念等都具有重要意义.作为科学与工程计算的重要组成部分，CAE研究与软件系统对科学研究与国民经济发展起重要作用，各类重大工程的成功无不得益于CAE理论与软件系统的重要支撑.CAE理论研究与软件系统研发有深厚的学科背景和研究内涵，呈现多学科交叉特征，包括计算力学、计算数学、软件工程学和计算机图形学等，计算力学的发展一直是其发展的重要学科支撑.CAE研究内涵包含多个方面，包括发展可准确描述装备与结构工程中各类问题与现象的数学物理方法和计算模型，构造解决工程中关键问题的先进计算方法，研发先进工程问题数值分析的数字化工具与软件系统，以CAE为工具在计算机上实现对各类工程问题的数值试验，对CAE数值结果进行分析与评价，通过数值模拟发现各类工程问题的内在规律和特征以及进行装备和结构的优化与创新设计等.目前，动力学与控制在CAE领域具有非常重要的地位，其研究涉及众多交叉学科，如控制理论、数值算法和软件开发等，是控制理论通向工程应用的桥梁.随着动力学系统复杂度的提升，人们对控制性能的要求也越来越高.发展高效、可靠的优秀控制软件一直是学术界和工程技术领域的迫切需求，尤其在处理大规模复杂问题方面.在现代各类工程领域的装备与结构中，大量分析和设计问题的高端与前沿需求一直是推动CAE理论和软件不断发展的动力.诸多现代工程领域的科学研究和产品开发所面临的科学问题日趋复杂，对CAE的建模、分析与设计能力提出越来越高的要求.大规模、强动力、非线性、多尺度、多相耦合、多物理场耦合、不确定性以及极端环境与服役工况等是现代装备与结构设计、制造与服役过程评估面临的共性基础问题，在进行正分析的同时往往还需要进行反分析、优化和控制设计等.为方便、灵活地实现这些功能，共享计算软件的资源，集成先进的研究成果，为新理论、新模型与新算法研究提供性能优异的数值工具及校核新理论，以解决工程问题，有必要研发自主的，具有良好开放性、动态扩展性，可持续开发条件优良与用户界面友好的工程与科学计算软件平台，促进理论研究与工程应用工作的可持续发展.崔俊芝［7］指出，CAE软件既然是一种集多种科学与工程技术于一体的综合性、知识密集型产品，就应当随着科学技术的迅速发展、知识经济的到来、互联网技术的普及和全球信息化，有个新的大发展.①②我国自主CAE软件研发在20世纪70年代后曾经有过一段良好的发展历程：一系列有特色的结构有限元软件系统被研发出来，解决一大批重大工程中的关键问题，创造了重要的社会和经济效益，为国民经济的发展作出了贡献.但是，近年来我国自主CAE软件的发展缓慢已成为不争的事实.目前，在国内占主导地位的主要CAE软件系统大多由国外公司研发.加大并推进自主CAE软件研发，已成为意义十分重大但任务又非常艰巨的课题.钟万勰和程耿东［8］在1999年发表的“跨世纪的中国计算力学”一文中指出：特别需要强调的是大型计算力学软件的开发.大型计算力学软件的开发往往需要几十乃至上百人年的高智力的劳动和巧妙的设计思想，既是一项高难度的科学研究，也是一项大规模的工程.随着软、硬件条件与环境的改善以及工程需求的不断提升，自主CAE软件在发展过程中面临一系列关键问题和瓶颈问题需要解决.软件技术方面包括：（1）大规模数值模型的数据管理.目前，百万甚至千万自由度规模的结构有限元建模与分析工作已成为常态，如4.5亿自由度的大规模结构有限元模型“Model of the day after tomorrow”［9］在求解过程中耗费2.27 TB磁盘空间.（2）高性能计算.多核技术是个人计算机（笔记本、台式机和工作站）发展的主流，多线程计算（如OpenMP）已逐步得到推广；随着集群技术的发展，分布式计算（如MPI）也成为趋势；随着计算机技术的发展，网格计算和云计算也逐步在数值仿真领域实施.据高性能计算机排行榜报道，我国研发的“天河-1A”和“曙光星云”分列第一和第三名①，但发展与高性能计算机相匹配的应用数值计算软件仍是十分重要的课题之一.（3）系统开放性.动态库、模块接口、脚本语言和数据格式兼容等已成为众多商业CAE 软件实现开放性的技术途径.系统开放性可分为几个层面，一是软件系统本身所采用的理论体系开放性，如结构有限元设计理论是否适用于组合单元、多点（主从）约束等；二是软件体系结构的开放性，如计算流程动态控制、模块装配和替换及数值算法模块通用性设计等；三是系统对用户的开放接口，即指目前商业软件采用的方式等.（4）多物理场、多尺度、多系统集成.多物理场、多尺度、多系统集成已成为科学与工程计算的发展需求，需针对多个子系统和模块、应用程序和软件进行软件集成技术研究.目前，商业软件公司已推出多个针对公司内部系统的集成平台，也有针对外部系统通过流程构建实现的系统集成计算.SiPESC②（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation）的研发任务是在上述背景和需求条件下提出来的，其总体目的是为满足现代装备与结构工程中日趋复杂的科学与工程计算需求，研发性能优良的软件开发平台，并进而研发具有自主产权的集成化CAE软件系统，为解决重大装备与结构工程中的科学问题服务.1 SiPESC的研发思路SiPESC的研发工作面临技术挑战，研发任务难度大.同时，SiPESC的研发也具备以下机遇：（1）研发团队在钟万勰院士等的领导下30余年系列自主CAE软件（JIGFEX，DDJ，JIFEX，MCADS，DASTAB和DIASS等）研发的经历，为进行SiPESC系统研发提供丰富的经验积累，并建立良好的CAE程序开发基础；（2）计算机软、硬件技术的进步为新软件研发提供发展空间，特别是面向对象、构件、服务、软件体系结构及软件设计模式等软件工程技术的新思想、新方法，为新系统在核心框架设计方面实现跨越式发展提供可能；（3）近年来的计算力学（计算固体力学）新理论、新方法和新框架［10］的发展，为构建SiPESC系统提供新思路.SiPESC研发的工作思路是核心突破、逐步推进，即通过在软件系统核心框架和体系结构设计方面取得的突破，构建核心的任务和数据统一管理功能，并在此基础上建立结构有限元分析系统，再逐步研发各类其他应用子系统和功能模块，实现集成平台上的建模、计算、优化及可视化等.在软件技术方面，SiPESC核心功能需实现的主要目标为：（1）开放性.建立通用任务和模块开放、统一的管理功能；实现模块间的动态装配与替换；建立开放接口的统一管理模式；支持多人、多组织的协同开发；支持主流二次开发技术（动态库、模块接口、脚本语言、数据格式兼容）等.只要具备开放性，已有的任务和模块就可实现动态扩展或替换，因此SiPESC的开放性本质上是整个研发任务的根本，是系统持续发展的关键.（2）大规模计算能力.建立统一的、通用的、面向大规模计算的工程数据库管理系统，以实现大规模数值模型的数据管理，构建大规模计算能力；工程数据库需为各计算系统和模块提供统一接口，其内部模块可动态替换或组装以适应单机、局域网和集群等硬件存储设备，满足多类计算需求.（3）集成性.集成性是上述两个特性的综合体现，包括子系统和模块集成以及数据集成；另外，SiPESC需构建包括各类外部CAE系统的集成计算环境，以满足包括建模、分析、优化和可视化等的多物理场、多尺度、多系统集成计算；需提供基于面向服务和网格计算等面向异构系统（Windows和Linux）的集成技术.SiPESC的研发采用软件工程的方法开展工作，实行项目规划和管理、开发文档管理、软件系统分析与设计、软件测试及软件质量管理，形成稳定的软件系统维护队伍.研发采用的主要方法和技术有：（1）面向对象方法与UML（Unifed Modeling Language，统一建模语言）技术，采用面向对象方法，应用适当的设计模式，完成系统框架和相关类库设计，解决系统的开放性和可扩展性问题.研究中采用UML及相关软件工具，可有效管理结构有限元软件设计过程，形成标准化文档，提高质量管理水平.研发采用C++语言.（2）跨平台编程环境.采用Eclipse与Qt建立的编程环境可实现SiPESC的跨平台特性，利用该环境设计的软件可以在多个主流操作系统（Windows，Mac OS X，Linux及各种UNIX 环境）上编译运行，为实现软件系统的跨平台运行提供保证.（3）XML已成为Web上标准的结构化和半结构化数据表示，逐步成为通用信息交换标准格式，是实现数据和接口的规范化技术途径.（4）基于面向组件（component）和插件（plug-in）的软件设计技术.面向服务和组件设计技术是软件研发的有效途径，有利于软件复用和系统集成；插件设计是基于动态链接库的软件设计，已被广泛应用，有利于系统应用功能的动态扩展和系统核心功能的维护.2 SiPESC的集成化功能目前已完成的SiPESC集成化功能模块包括面向核心任务管理的集成开发环境、面向系统集成的活动流程图定制工具、面向大规模计算的工程数据库管理系统以及通用数值算法库设计框架等.2.1 集成开发环境SiPESC是基于“平台（微核心）+插件”的计算软件系统，其核心系统实现插件的管理及调度功能，所有实际功能均采用插件实现.软件体系结构的设计目的是实现系统的开放性和集成性.SiPESC软件体系结构见图1.图 1 SiPESC软件体系结构Fig.1 Software architecture of SiPESC插件的接口采用XML描述，故该平台系统的插件接口是开放的，插件开发者可定义接口，基于接口进行扩展，并提供给其他插件使用.因此，系统可以满足各种不同的需求，只要在使用时安装相应的插件即可.SiPESC主界面见图2.图 2 SiPESC主界面Fig.2 Main interface of SiPESCSiPESC提供工作空间、工作台、资源、界面管理工具和扩展接口等，用户基于此可方便地进行二次开发和利用已有插件配置应用系统；可以利用SiPESC进行有限元前处理、计算和可视化等开发，也可进一步扩展为专用的计算系统或工程数据库管理系统.SiPESC设计一套完整的插件开放接口规则.为方便用户进行插件开发，SiPESC提供插件设计器工具，用户可按向导式的操作定义插件和扩展接口，并可直接生成C++工程的代码；在此工具辅助下用户只需关注接口及其代码的实现.插件设计器界面见图3.图 3 插件设计器界面Fig.3 Interface of plug-in designer插件式体系结构的独特优势在于可按组件方式灵活构建应用软件系统.SiPESC为用户提供管理各类插件的工具，通过加载和卸载操作该工具可动态地为特定系统配置插件；查询功能包括插件信息、扩展接口和扩展分类信息等；代码生成功能可生成特定扩展的接口头文件，方便二次开发调用特定扩展.插件管理器界面见图4.插件管理器实现特定系统组件化的动态配置，可为科研与工程计算构建专用的计算系统和环境；每个计算软件启动时加载最适度的插件，保证计算效率；管理器也同时为多开发人员或多组织协同开发的插件提供动态集成支持.图 4 插件管理器界面Fig.4 Interface of plug-in manager2.2 活动流程图定制工具活动流程图定制工具利用插件技术，通过制定调用流程图（见图5）实现外部应用程序及插件扩展的可视化、流程定制化、流程可控制化及串、并行化的集成调用.可视化集成调用功能具有良好的扩展性，对于已有的应用程序，通过应用程序调用对象实现其流程化集成调用；对于已有的源代码或开发包，可通过实现调用对象相关的接口，将其制作成符合相关要求的插件添加到流程中.（a）应用流程1（b）应用流程2图 5 活动流程图定制工具Fig.5 Customization tool of visual activity flowchart定制工具的操作包括调用对象、流程线、流程图和用户动作等；用户可构建特定的流程图，调用专用的计算软件（各类商用软件和自主研发软件），在流程图中设置用户交互动作或根据系统的扩展接口研发新的调用模块（如局域网或互联网的远程调用、任务管理和调度等）.定制工具为实现工程与科学中的多学科计算、跨尺度计算、复杂任务的大规模计算提供可行的解决方案.2.3 工程数据库管理系统大规模计算的一个显著特点是数据密集.对大规模数据进行有效的管理直接关系到计算系统的效率和通用性，因此一个强有力的数据管理系统十分重要.目前，面向大规模计算的商业软件都内嵌数据管理系统，但大部分内部专用、不对外开放.SiPESC面向大规模计算的数据管理的设计需求为：数据类型多、密集型数据（TB以上）、动态数据、大数据块管理、并发访问；大规模计算的数据管理过程一般具有特定的模式，不需要类似于商业数据库提供的检索、交互查询等复杂管理功能.因此，针对上述需求研发专用工程数据库非常必要.工程数据库管理系统设计框架见图6.图 6 工程数据库管理系统设计框架每个层次完成不同的功能.其中，管理层将数据库内的数据按统一的接口和管理方式组织起来，使用统一的接口访问数据.层次化的框架设计方案有利于功能扩展，基于插件技术的设计方案可实现系统维护过程中每层的动态替换，为数据库进一步实现跨文件、跨分区、跨磁盘和跨节点等扩展方案提供条件.用户在管理层基础上可构建专用的计算数据库以及计算系统，按照路径管理数据，以方便实施多物理场和多尺度等的集成计算.在工程数据库管理系统支持下，用户可构建面向大规模计算的软件，完成TB以上数据量的数值模型计算任务.2.4 通用算法库设计传统的算法和算法库设计遵循“算法+数据”方法，但由此引发的问题是算法与数据紧密关联，同样的算法针对不同数据结构的数值模型须重新编写. GAMMA等［11］受建筑设计的方法启发，针对软件设计中普遍存在、反复出现的问题提出软件设计模式；归纳软件设计中经常采用的23种设计模式，设计模式的应用能实现可重用代码，并使代码具有良好的可读性和高可靠性.设计模式提供一种共享经验的方式，可以使软件开发人员受益及避免重复设计.目前，设计模式广泛应用于事务管理软件的研发过程中，成为软件设计理论的研究方向，众多设计模式相继被提出.数值计算中也普遍存在、反复出现程序设计问题，但缺乏有关设计模式的探讨，如PRESS等［12］编写的数值算法名著出版过FORTRAN版、C语言版及C++版，但并未论及设计模式问题，其他算法著作情况与此类似.在计算力学软件设计中也存在设计模式的问题，如面向结构动力学方程的NewMark算法Mu ¨+Cu ·+KuR K ～K+a0M+a1Ct+Δt R ～Rk+1+Ma0t u+a2t u ·+a3t u ¨+Ca1t u+a4t u ·+a5t u ¨K ～t+Δt u t+Δt R ～（1）式中：M，C，K和u分别为质量矩阵、阻尼阵、刚度矩阵和位移向量；a0～a5为算法参数；t和Δt分别为时间和时间步.非线性代数方程的Newton-Raphson迭代算法为F（X）0F′（X k）ΔX k－F（X k）, k0,1,…X k+1X k+ΔX k（2）式中：F为非线性函数向量；X为待求向量.上述算法在数学上的表述具有共性，与数值模型、矩阵性质、数据存储方式无关，但用具体代码实现时却千差万别；将一个系统的算法模块移植到另一个系统，要耗费大量的精力进行代码维护或数据转换.类似NewMark和Newton-Raphson这类算法具有层次性，应针对层次性算法设计统一的解决方案.CAE软件平台的研究中涉及大量相似的软件设计问题（如有限元的单元刚度阵集成、非线性方程求解、特征值计算和约束条件处理等），需寻求这些问题的统一解决方案和软件实现途径以及设计模式.SiPESC在数值算法库设计方面提出基于接口的“算法+模式”的设计方案，见图7. MSolver （求解器）类是算法实现部分，从MParameter（参数）类获取算法参数，通过MModel（模型）类提供的统一接口对数据进行操作，完成算法计算过程.MModel类通过接口继承可派生出不同的数值模型（如结构有限元、热传导和流体分析等）.该设计的优点是：（1）基于SiPESC的插件技术，上述算法、模型可实现动态装配，不同数值模型通过统一接口可实现与同一算法的拼装，同一数值模型通过统一接口也可对接不同的算法；（2）便于算法实施与调试，基于统一接口，可独立进行算法和模型的编程，分别调试.图 7 通用算法库设计Fig.7 General algorithmic library design基于上述设计思想，SiPESC已完成时程积分、特征值分析和非线性代数方程组求解等算法模块.典型模块已应用于结构有限元分析，并完成数十万自由度算例的测试.3 基于SiPESC的CAE软件系统研发在SiPESC提供的核心任务和数据统一管理功能支撑下，首先对结构有限元分析和通用集成优化计算等开展具体的CAE系统研发，计划通过应用系统的实施建立核心功能系统，进而逐步推进相关子系统的研发.3.1 开放式结构有限元分析系统结合有限元分析问题，设计开放式结构有限元分析系统，建立有限元分析系统各层次的开放接口和管理机制.（1）有限元数据库.完成节点、单元、材料、坐标转换阵、约束数据、节点控制阵、单元控制阵和载荷等几十种数据类.这些数据类都与工程数据库系统结合.完成大数据量的测试，均可实现GB数量级存储；具备TB数量级有限元模型的数据管理能力.（2）动态开发接口.系统设计中完成结构有限元线弹性静力分析功能，具备大规模计算数据管理能力.基于插件管理系统，将有限元分析过程中的任务逐一分解，形成各个子任务，并形成任务的统一管理模式，提出开放接口的设计方案.目前已完成节点排序、自由度排序、节点主从控制、单元主从控制、单元刚度阵管理、总刚集成与分解和位移求解等主要模块开发.上述模块均有标准扩展接口和动态替换机制；新的功能模块可通过管理机制对原有模块进行动态更新或替换.该系统的所有计算模块和计算数据对二次开发完全开放，用户可通过接口访问以及调用数据及模块.（3）单元库动态集成方案.根据结构有限元单元刚度计算的标准过程，实现单元刚度阵计算的动态集成框架，并提出标准接口.在此框架下，短时间内已集成三维偏心梁、精化板单元、旋转自由度膜、六自由度改进DKT壳单元等实用、新型单元.目前，单元库已具备17种各类型单元，可面向工程问题的组合结构开展分析任务.（4）已有代码的集成案例.基于插件的研发，强调的是接口编程，为集成已有的有限元计算模块提供可能；通过动态链接库和接口设计，已实现基于Lapack算法的稀疏矩阵求解模块的集成.。

核电厂SCIENCE程序包反射层功能扩展研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＳＣＩＥＮＣＥＶ１ｃｏｄｅｐａｃｋａｇｅｉｍｐｏｒｔｅｄｆｒｏｍＦｒａｎｃｅ．ｆｕｎｃｔｉｏｎ
ｅｘｐａｎｓｉｏｎｆｏｒｒｅｆｌｅｃｔｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ
ｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓｂｅｎｅａｔｈｔｈｅｇｒａｐｈｉｃａｌｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｅｆｌｅｃｔｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＳＣＩＥＮＣＥｃｏｄｅ
摘要：文章根据实际工作需要，阐述了基于来自法国的ＳＣＩＥＮＣＥＶ１程序包进行反射层计算的功能扩展开发；深入研究部分功能的实现细节，按需增加部分代码，扩展开发出反射层计
算功能。应用扩展后的ｓＣＩＥＮＣＥ程序包研究秦山二期堆型反射层参数，并与１、２号机组共１９个循环堆芯的实测值进行比较，结果符合良好，满足工程精度要求。通过对ＳＣＩＥＮＣＥＶ１程
ｐａｃｋａｇｅｉｓｕｓｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒＵｎｉｔｌ＆２ＱｉｎｓｈａｎＩＩ．

一种适用于含跳变边沿信号的平滑滤波方法[发明专利]

专利名称：一种适用于含跳变边沿信号的平滑滤波方法专利类型：发明专利
发明人：马春光,陈元,鄢然,周逸,吕洪光,罗勇
申请号：CN202010885672.0
申请日：20200828
公开号：CN112104339A
公开日：
20201218
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种适用于含跳变边沿信号的平滑滤波方法，属于数字滤波系统中对数据波形平滑处理领域。

本发明通过求取信号一阶差分的方法对跳变边沿进行判断，能够实时自动判断含有跳变边沿的信号的跳变边沿，从而在进行平滑处理时能够自动保留跳变边沿，相比传统的直接平滑滤波能够有效防止该类信号跳变边沿信息丢失，因此相比传统的平滑滤波算法能够适用的范围更广。

申请人：电子科技大学
地址：611731 四川省成都市高新区(西区)西源大道2006号
国籍：CN
代理机构：电子科技大学专利中心
代理人：邓黎
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结构设计分析功能块AASA—OPT的研究

结构设计分析功能块AASA—OPT的研究
张铎;王玉明
【期刊名称】《西北工业大学学报》
【年(卷),期】1994(012)003
【摘要】本文根据结构非线性分析的不变总刚虚拟载荷迭代原理研究和编写了适于在结构设计过程中进行多次再分析的功能块ＡＡＳＡ－ＯＰＴ。

在某型机翼设计中，应用该功能块进行了多次大范围的刚度修改。

结果表明它对大型复杂结构设计具有较高的使用价值。

【总页数】4页(P454-457)
【作者】张铎;王玉明
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】V22
【相关文献】
1.基于SiPESC.OPT的结构动力模型修正研究 [J], 杨春峰;路林华;张盛;李云鹏;陈飙松
2.超高层建筑结构设计分析及结构方案对比研究 [J], 余晓雅
3.夹角45°L形结构隔震层顶板研究设计分析 [J], 张骥;陶忠;王军丛;陈蕾蒙
4.基于Fluent的某水库溢洪道消能结构设计分析研究 [J], 刘菊莲
5.建筑钢结构防火设计分析与研究 [J], 谈建国;谈路遥;金烁
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Cadence SIP软件设计模型在HFSS软件中的自动重建

Cadence SIP软件设计模型在HFSS软件中的自动重建杨少春;缪旻;张旸
【期刊名称】《北京信息科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(031)003
【摘要】针对如何将Cadence SIP中的设计模型在HFSS中自动重建为三维全波仿真模型的问题,提出了一种解决方法,即利用VBS在Cadence SIP与HFSS之间建立软件接口,通过该接口程序完成在Cadence SIP中设计模型几何参数的提取及相应的数据处理,并将相关数据导入HFSS软件进行模型重建,实现重建的自动化.结果表明,该方法能够免去HFSS中繁琐复杂的模型手工建立过程,大大提高工作效率.【总页数】5页(P42-45,49)
【作者】杨少春;缪旻;张旸
【作者单位】北京信息科技大学信息微系统研究所,北京100101;北京信息科技大学信息微系统研究所,北京100101;北京索为高科系统技术有限公司,北京100088【正文语种】中文
【中图分类】TN47
【相关文献】
1.Cadence SIP Layout软件在多层布线版图设计中的应用 [J], 王晓漫;周冬莲;聂月萍;朱凤仁
2.HFSS软件在天线仿真分析与优化中的应用 [J], 朱秀娥
3.HFSS软件在《天线与电波传播》课程教学中的应用研究 [J], 谭明涛; 殷建军; 曾海芹; 许红芬
4.ADS与HFSS软件在微波技术与天线实验中的应用 [J], 马立宪;陈帅
5.HFSS仿真软件在电磁超表面太阳能光热薄膜设计中的应用 [J], 贾秀波
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基于多线程技术的测控系统软件设计

基于多线程技术的测控系统软件设计杨珂;宋国堃;赵世平【摘要】We developed a software of measurement and control system based on multi-threading technology according to the design need of a certain measurement and control system. The realization of the software in the article is through the C# language on the .Net platform, which providing with a powerful thread model and complete operation interfaces can meet the needs toward to the operation on threads. The core function of the software, which starts different threads to run the data acquisition, experiment control, UI interaction and safety monitoring functional modules, is multi-threading technology. Thread synchronization technology guaranteed the accuracy of high-speed objects transmission among different threads. On the one hand, this kind of design pattern enhances the stability and reliability of the software significantly, on the other hand, it can also takes full advantage of the computer’s system resources to speed up the working efficiency of the system.%根据某系统软件设计的需要，开发了基于多线程技术的测控系统软件。

基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法构架

基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法构架基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法是一种新型的拓扑优化算法，是对已有拓扑优化算法的改进。

它以sipesc.topo为基础，考虑屈曲响应特性，设计出能够在满足约束条件的前提下，达到更好的优化效果的拓扑优化算法。

首先，sipesc.topo是一种基于禁忌搜索的拓扑优化算法，它通过搜索空间禁忌表将搜索中可能出现的重复搜索情况记录下来，从而避免了重复搜索。

然后，基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法就是在该算法的基础上，考虑到屈曲响应特性，根据实际情况设计出更适合优化环境的拓扑优化算法。

具体而言，基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法的构架是这样的：首先，定义屈曲梯度和屈曲响应系数，以及构成屈曲梯度和屈曲响应系数的各个参数；然后，根据不同的拓扑优化要求，设计屈曲响应特性相关的约束条件；最后，利用sipesc.topo搜索算法，依据约束条件的要求，对空间禁忌表中的拓扑进行搜索，最终搜索出符合要求的最优拓扑结构。

此外，在sipesc.topo搜索算法的基础上，基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法还考虑了元件模型的特性，比如电感、电容、开关等，以及元件之间的相互作用，以便在寻找最优拓扑结构时，能够更加准确地表征屈曲响应特性。

基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法也考虑了惩罚机制。

在搜索的过程中，如果搜索出的拓扑结构不符合约束条件要求，就会采用惩罚机制，以降低拓扑结构的得分，从而使搜索的拓扑结构更加符合要求。

总之，基于sipesc.topo考虑屈曲响应的拓扑优化算法是一种新型的拓扑优化算法，是对已有拓扑优化算法的改进。

它以sipesc.topo为基础，考虑屈曲响应特性，设计出能够在满足约束条件的前提下，达到更好的优化效果的拓扑优化算法，用于优化拓扑结构。

通用图像类的设计与编程实现

通用图像类的设计与编程实现
涂圣贤;杨丰
【期刊名称】《计算机应用》
【年(卷),期】2004(024)0z1
【摘要】分析和探讨了建立通用图像处理类需要解决的几个基本问题,如多文件格式的管理、图像信息头的管理、图像色彩的管理等.在VC + +6.0平台下,建立了一个通用图像处理类,并给出此类在图像处理中应用的例子.
【总页数】3页(P130-132)
【作者】涂圣贤;杨丰
【作者单位】第一军医大学,生物医学工程系,广东,广州,510515;第一军医大学,生物医学工程系,广东,广州,510515
【正文语种】中文
【中图分类】TP317.4
【相关文献】
1.DICOM医学数字图像格式与BMP通用图像格式转换软件的设计与实现 [J], 徐潘辉;林峰
2.彩色图像通用隐写分析的多类统计特征 [J], 孙文镲;刘婷婷;张新鹏;王朔中
3.提升小波变换的通用和可扩展编程实现 [J], 金炜;潘英俊;魏彪
4.VFP下组合查询类和通用查询类的设计及应用 [J], 王玲
5.通用型CAI系统软件使用JAVA编程实现网络通信 [J], 潘伟
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一种改进的正交测试用例设计方法研究

一种改进的正交测试用例设计方法研究
杨翠清;滕奇志
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2010(026)033
【摘要】对有多个输入参数,每个参数有多种取值的软件模块进行测试时,正交测试法与其它测试方法相比,能以更少的测试用例取得更好的测试效果,但是该方法在具
体实现中还存在很多问题尚未解决.针对正交法设计测试用例在各输入参数不独立
和没有合适的正交表可用的情况下无法适用的问题,提出采用组合因子-活动水平算法化解参数之间的相关性,用加权拟水平法建立正交表,进而给出改进的正交测试用
例设计详细流程.实例表明:基于改进的正交法设计测试用例流程,可以在实践中灵活、高效地设计测试用例.
【总页数】4页(P237-240)
【作者】杨翠清;滕奇志
【作者单位】610065,四川成都,四川大学电子信息学院图像信息研究所;610065,四川成都,四川大学电子信息学院图像信息研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP311.56
【相关文献】
1.基于正交试验法的北斗用户机软件测试用例设计 [J], 王华;高扬;吴强;张侹;
2.一种基于场景的装备软件测试用例设计方法研究 [J], 王万金;韩成柱
3.正交试验法在LKJ装置基本控制软件测试用例设计中的应用 [J], 蒋剑; 上官霞南; 何谢振
4.软件单元测试及测试用例设计方法研究 [J], 李艳艳;刘琴
5.基于正交实验法的Web测试用例设计 [J], 刘志成
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用于电力系统控制的计算机辅助工程(CAE)平台的设计

用于电力系统控制的计算机辅助工程(CAE)平台的设计
栗春;姜齐荣;鲍晓峰;修林成
【期刊名称】《电网技术》
【年(卷),期】1999(23)11
【摘要】介绍了用于电力系统仿真及控制器设计的计算机辅助工程平台的开发。

给出了该平台的软、硬件设计方法，描述了该平台的功能和应用。

利用该系统，可以使控制算法设计人员方便地将在平台上仿真后认为满意的算法直接提取出来，经平台提供的编译连接程序处理后直接下载到ＤＳＰ硬件中，从而显著提高了控制器设计的效率。

文中还介绍了该平台在ＳＴＡＴＣＯＭ
【总页数】5页(P31-35)
【关键词】电力系统;仿真;计算机辅助工程;数字信号处理器
【作者】栗春;姜齐荣;鲍晓峰;修林成
【作者单位】清华大学电机系;新加坡国立大学电机系
【正文语种】中文
【中图分类】TM743
【相关文献】
1.探析计算机辅助工程(CAE)在轧钢机械设计中的应用 [J], 运洪良
2.第7届中国CAE工程分析技术年会(CCAC2011)暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会即将召开 [J],
3.“2011大连市计算机辅助工程(CAE)技术与应用研讨会暨第1届英特仿真CAE
技术与应用年会”通知 [J],
4.2005全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会暨首届中国CAE工程分析技术年会在北京成功召开 [J], 王继宏
5.第二届中国CAE工程分析技术年会暨2006全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会 [J],
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http ：//www．chinacae．cn第20卷第4期2011年12月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol．20No．4Dec．2011文章编号：1006－0871（2011）04-0042-07通用集成优化软件SiPESC．OPT 的设计与实现杨春峰，陈飙松，张盛，李云鹏，张洪武（大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室运载工程与力学学部工程力学系，辽宁大连116024）摘要：为实现针对复杂工程设计的具有通用设计目标和开放性的优化软件的自主研发，设计并实现面向通用优化计算需求的SiPESC．OPT 软件．讨论优化软件开发在优化算法、试验设计和替代模型等方面的需求；设计具有应用层、中间层和核心层的SiPESC．OPT 软件架构；根据该软件架构将SiPESC．OPT 的功能模块划分为优化任务设计模块、试验设计与近似模型模块、求解器模块、后处理模块和子系统集成模块等．引入优化模型状态类以解耦优化模型类与优化算法类之间密切的依赖关系．风力发电机叶片优化算例和水轮机模型替代算例表明，SiPESC．OPT 具有操作简单、功能全面和可扩展性强等特点，可用于复杂优化问题的求解．关键词：优化软件；SiPESC．OPT ；优化方法；可扩展性中图分类号：TB115文献标志码：B收稿日期：2011-03-18修回日期：2011-04-30基金项目：国家自然科学基金（90715037，11072050，10872041，91015003，51021140004）；国家基础性发展规划项目（2010CB832704）；国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）（2009AA044501）作者简介：杨春峰（1972—），男，山东邹城人，博士研究生，研究方向为计算力学软件系统研发，（E-mail ）yangchunfeng@mail．dlut．edu．cn ；陈飙松（1972—），男，广东佛山人，教授，博导，博士，研究方向为计算力学软件系统研发，（E-mail ）bschen@dlut．edu．cn Design and implementation of general integrated optimization design software SiPESC．OPTYANG Chunfeng ，CHEN Biaosong ，ZHANG Sheng ，LI Yunpeng ，ZHANG Hongwu（Department of Engineering Mechanics ，Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics ，State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，Liaoning ，China ）Abstract ：To research and develop an optimization software with general purpose and openness for complex engineering design independently ，SiPESC．OPT is designed and implemented ，which can meet the general optimization computation requirements．The requirements about optimization software development ，such as optimization algorithms ，experiment design ，and surrogate model ，are discussed ；the software architecture of SiPESC．OPT is constructed with three layers ：application layer ，middle layer and core layer ；according to the architecture ，SiPESC．OPT contains optimization task design module ，experiment design and approximation surrogate module ，solver module ，post-process module ，sub-system integration module ，and so on．By introducing optimization model state class ，the close dependent relationship between optimization model class and optimization algorithm class is decoupled．Wind turbine blade optimization example and hydraulic turbine surrogate model example demonstrate the capability ofSiPESC．OPT for solving complex optimization problems and its characteristics，including simple-operation，full-feature and high-extensibility．Key words：optimization software；SiPESC．OPT；optimization method；extensibility0引言最优化方法在自然科学、社会科学、国防、经济、金融、工程设计和现代化管理等许多领域有着广泛应用．［1］近几十年来，最优化方法在优化算法、优化问题和应用领域等方面发展迅速．优化算法由以梯度为基础的传统优化算法发展到智能优化算法，如遗传算法、模拟退火算法、人工神经网络算法、蚁群算法以及禁忌搜索算法等，并且在优化算法的基础上发展到优化策略的研究．软件是对客观世界中问题空间与求解空间的具体描述，是客观事物的一种反映，是知识的提炼和固化．［2］优化软件是最优化方法与优化设计实践之间的桥梁，是最优化方法在计算机中的具体实现．国际上已经出现很多专业优化软件以及包含优化功能的软件包，如iSight和DOT等；ANSYS与MSC Nastran等专业分析软件中也包含优化功能模块．针对日益复杂的工程设计问题，仍然需要研发具有通用设计目标、开放性的优化软件．［3］1优化软件系统的需求分析最优化方法是在一定的求解域内，在满足某些约束条件下寻找指定目标的最优解．优化软件是最优化方法与计算机科学结合的产物．优化软件的最终目的就是解决工程实践中的优化问题：首先将实际的工程问题抽象成包含一组数学解析表达式的优化模型，根据其特点选择合适的优化算法；然后优化计算，查看结果，如果对优化结果不满意，则调整优化模型进行新一轮计算，直至得到满意的结果．然而，工程实践中遇到的问题大部分是多学科、非线性、多准则、不可微的复杂系统优化问题，有时无法抽象出显式的数学解析表达式，这时需借助试验设计等方法培养出替代模型，进而生成优化模型，再对其进行优化求解．1．1优化模型一般的最优化问题是在满足约束条件gi（x）≤0，i=1，2，…，mh i （x）=0，i=m+1，…，{p求向量x，使函数f（x）取极小值（或极大值）．其中，f（x）为目标函数，gi （x）≤0为不等式约束条件，hi（x）为等式约束条件．x=（x1，x2，…，xn）T为设计变量或决策变量，是n维实欧拉空间内的一点，称满足约束条件的点为可行点，称所有可行点的集合为可行域．f（x），g i（x）（i=1，2，…，m）和h i（x）（i=m+1，…，p）为给定n元函数［4］．最优化问题一般写成min f（x）s．t．g（x）≤0，i=1，2，…，mh（x）=0，i=m+1，…，{p优化模型是从工程实践中抽象出的最优化问题，是从可行域到其目标函数值域的映射．对于复杂的实际工程问题，目标函数、约束的数量大，没有解析表达式且具有高度非线性、不连续和不可微等特性，不仅求解困难，计算量大，而且建立优化模型的难度也很大，最优化问题的一般形式难以涵盖全部特征信息．这要求优化软件应能提供完备的建模能力：不仅要有基本的函数定义功能，而且要提供方程求解、第三方软件启动、数据处理以及文本文件解析等功能．1．2优化算法优化算法是在优化模型的可行域内寻找使优化模型满足最优条件的可行点．针对不同类型的优化问题，人们提出多种优化算法，如对于线性规划问题，最常用的方法是单纯形法和对偶单纯形法；对于单目标、无约束的优化问题，BFGS法行之有效；对于单目标、有约束的优化问题，序列线性规划法和序列二次规划法比较流行．近年来又出现模拟生物进化、退火等自然机理的遗传算法．每种优化算法都有其优点及其应用范围的局限性，到目前为止，还没有一种对非线性优化问题普遍适用的有效算法．对于实际工程问题，需要将多种优化算法对比、组合使用，才能得到满意的结果．优化软件的主要任务之一是为用户提供丰富的优化算法，使用户有充分的选择余地，通过对比不同的算法，选择最合适的．近年来，最优化方法发展迅速，新的优化算法不断出现，优化软件应具有开放的、可扩展的软件架构和软件组件接口以及具有动态、无缝添加新优化算法的能力，从而丰富软件的算法库．1．3试验设计和替代模型在工程实践中遇到的问题大多属于复杂系统的34第4期杨春峰，等：通用集成优化软件SiPESC．OPT的设计与实现http：//www．chinacae．cn优化问题，有时无法抽象出显式的数学解析表达式，需借助试验设计等方法培养出替代模型，进而生成优化模型，然后进行优化求解．替代模型指在不降低精度的情况下构造的一个计算量小、计算周期短但计算结果与数值分析或物理试验结果相近的数学模型．构造替代模型一般需要3个步骤．（1）通过试验设计方法在设计空间中确定构造模型所用的样本点．（2）利用分析软件或试验方法确定各样本点处的响应值．（3）根据样本点数据选择一种近似方法，构造合适的代理模型，并取设计空间内的一些点对模型进行检验，以便调整某些参数．构造替代模型的逼近精度很大程度上取决于试验点在设计空间中的位置分布，因此试验点的选择应当遵循一定的准则，以便只取较少的点就能达到较高的精度，这就是试验设计（Design of Experiment）所研究的内容．常用的试验设计方法有正交试验设计、均匀试验设计、析因试验设计和中心复合试验设计等．2SiPESC．OPT系统设计SiPESC．OPT是由大连理工大学与中国空间技术研究院自主研发的开放的通用优化问题求解软件，用于求解单目标或多目标、连续设计变量或离散设计变量、线性或非线性的大规模复杂优化问题．［5］SiPESC．OPT包含试验设计、近似模型模拟、灵敏度分析、子系统集成和文本文件解析等多种先进功能模块；BFGS，SLP，SQP和GA等多种成熟优化算法；提供均匀试验设计、正交试验设计、中心复合试验设计和析因试验设计等试验设计方法；响应面法、多二次径向基函数、高斯径向基函数和逆多二次径向基函数等近似模型拟合方法．SiPESC．OPT具有良好的可扩展性，基于开放式的软件架构，可将其优化算法等功能模块动态添加到软件中，使用户可以按照实际问题的特性定制自己的优化算法．同时，SiPESC．OPT也是一款简单易用的优化问题求解器，支持MD Nastran，ANSYS和Abaqus等多款主流分析软件．SiPESC．OPT具有友好的图形用户界面和灵活的脚本语言界面：通过图形用户界面，用户可方便、快捷地构建优化模型，制定优化任务，设计试验方案，生成近似模型，运行脚本语言文件和查看计算结果，完成复杂结构的设计优化流程；通过脚本语言界面，用户可将结构分析、优化计算、子系统集成和计算结果提取等功能灵活组合，实现复杂结构的设计分析、优化计算工作流程自动运行，同时能在集成优化软件系统运行时修改工作流程，不但提高计算效率，而且可减少人工操作出错的可能性．2．1软件架构SiPESC．OPT优化软件的软件架构分为应用层、中间层和核心层等3层．如图1所示，应用层提供优化建模的工具和界面，用户利用该层进行系统建模；中间层以JavaScript为软件的脚本语言界面，使用脚本语言的变量、函数、逻辑及扩展功能等模块定义复杂的优化模型和优化任务；核心层实现脚本语言解析、优化模型计算及任务管理等扩展功能模块．图1软件架构Fig．1Software architecture3SiPESC．OPT系统实现3．1SiPESC．OPT软件结构软件系统结构见图2，软件系统的主程序是Optimization．exe，根据文件config．xml中的内容配置软件系统参数，如系统图形界面参数和版本号等．projects．xml中保存用户设计的优化模型以及与优化模型相对应的优化算法．软件系统将优化项目转换为project．js脚本文件输入到优化器solver．exe，优化器根据脚本文件中的语言命令调用优化算法库（如Dot．dll）完成优化迭代计算，并将迭代过程的中间结果保存到优化数据库OptimizationDB中．主程序调用OptimizationDB中存放的迭代过程数据，根据需要转换为图表形式供用户查看．在系统运行过程中，主程序将用户的重要操作、系统的重要活动以及警告、出错信息记录到日志文件log．txt中．44计算机辅助工程2011年http：//www．chinacae．cnhttp ：//www．chinacae．cn图2软件系统结构Fig．2Software structure3．1SiPESC．OPT 软件功能模块根据软件架构设计，将软件系统划分为优化任务设计、试验设计与近似模型、求解器、后处理和子系统集成等5个主要功能模块，见图3．图3功能模块Fig．3Functional modules优化任务设计模块提供程序的主窗口以及定义优化任务的图形界面，分为优化任务配置、优化模型数据和解析器、软件系统图形界面、数据模型管理、脚本语言预处理和寄存器等6个子功能模块．（1）优化任务配置模块提供配置优化任务的图形界面并将优化任务数据通过数据模型管理模块保存到优化模型数据和解析器模块中．（2）优化模型数据和解析器模块的主要功能是将优化任务保存为XML 格式的文本文件以及解析XML 格式的文本文件，从中提取优化任务并转换为软件系统内部的数据格式，供软件系统其他功能模块使用．（3）软件系统图形界面模块主要实现软件系统用户界面的框架．（4）数据模型管理模块管理软件系统的优化任务数据．（5）脚本语言预处理模块是在优化任务转换成脚本语言文件前，将优化任务转换成相应的脚本语言格式．（6）寄存器模块保存软件系统运行时所需的全局变量．后处理模块实现数据管理的可视化功能，对优化迭代计算过程中的数据用曲线的方式进行描述，包括曲线的多种定义方式（颜色、实线、虚线和点划线等），并提供数据的格式化输出功能（自定义文本格式和Excel 表格）．后处理模块主要用图表的形式展示优化迭代历史．子系统集成模块是操作数值模型分析软件（如ANSYS ）的输入输出文件，定义设计变量、模型参数及响应和指标（包括约束条件或目标函数）的函数关系，完成模型修改、分析与分析结果的提取．对难以给出显式函数的复杂模型，提供基于多项式响应面法的复杂系统替代模型（近似方法）计算方法：使用与设计方案相对应的数值模型分析结果或试验结果构造模型的替代模型，供用户使用．求解器模块解析执行脚本语言文件，并将优化迭代结果保存到数据库中，供后处理模块使用．求解器模块主要解析JavaScript 脚本文件，并执行脚本文件中的命令．3．2SiPESC．OPT 软件技术根据优化软件系统需求分析，可从最优化方法中提取出2个基本概念：优化模型和优化算法．优化模型的实质是从其可行域到其目标函数值域的映射，构造优化模型的主要方式是定义其设计变量的类型和上下限，目标函数的解析表达式，约束的解析表达式以及相关梯度的解析表达式．优化算法的主要功能是根据优化模型的设计变量、目标函数和约束函数的当前值等信息，寻找新的迭代点以更新优化模型，完成迭代计算流程．可以把一个优化模型和一个优化算法组合成一个优化任务．使用面向对象方法将优化模型集合、优化算法集合和优化任务集合分别抽象成优化模型类（Model ）、优化算法类（Algorithm ）和优化任务（OptProject ）类，进而以这几个类为核心数据结构构建集成优化软件系统，见图4．一个优化模型类包括一个优化模型名，一个或多个目标函数，多个约束函数（无约束优化模型则不包含约束函数）以及一个或多个设计变量．一个优化算法类包括一个优化算法名，一个或多个优化算法参数．优化任务类通过优化模型名与优化模型相联系，通过优化算法名与优化算法相联系．54第4期杨春峰，等：通用集成优化软件SiPESC．OPT 的设计与实现http ：//www．chinacae．cn图4核心数据结构Fig．4Core data structures最优化方法发展至今，优化模型概念的内涵和外延已经很稳定，因此可以设计一个接口比较完备的优化模型类；但不同优化算法的差别较大，而接口变化不大．使用面向对象方法的继承机制，可构造一个抽象优化算法类，具体的优化算法可由抽象算法类派生而来．然而，继承机制将抽象类接口与派生类接口强制关联，派生类的接口难以重用、扩展和修改抽象类接口，新优化算法类也难以通过继承抽象优化算法类进行扩展，限制软件的可扩展性．在寻找新迭代点过程中，优化算法需提取优化模型的设计变量值、优化目标值和约束值等，有的算法会需要优化模型在当前迭代点的梯度值．目前，难以预测新优化算法对优化模型提出的新要求．优化模型与优化算法之间紧密联系，使二者之间存在紧密依赖关系，新优化算法类（New Algorithm ）的扩展和修改会引起优化模型类的修改，这种紧密联系限制软件的可扩展性．解除这种依赖关系是保证集成优化软件系统可扩展性的关键．在优化计算中，单就一个具体的优化算法而言，在迭代寻优过程中所需的输入信息不是目标函数的解析表达式和约束的解析表达式，而是优化模型的设计变量值、目标函数值和约束值等信息，即优化模型状态．它的输出也是优化模型状态．使用面向对象方法抽象出一个优化模型状态类（ModelState ），其主要功能就是维护一个管理标志符与数值的简单映射表．优化模型状态类的功能简单、接口单一，其扩展性较强．优化模型状态类切断优化模型类与优化算法类之间的紧密依赖关系．图5为集成优化软件系统核心类图，可知优化算法类、优化模型状态类和优化模型类之间的关系，优化算法类依赖于优化模型状态类，不再与优化模型类有联系，因此优化算法可不使用继承机制，而是自由扩展．图5核心类Fig．5Core classes3．3SiPESC．OPT 用户图形界面软件的图形用户界面包括菜单栏、工具栏、优化任务栏、运行结果栏、状态栏和优化任务浏览器等．优化任务栏使用树状图显示优化任务文件中优化任务的主要内容；运行结果栏显示优化任务的运行结果以及运行过程中的状态信息等；状态栏显示当前软件的状态信息；优化任务浏览器显示优化任务的详细内容．点击系统初始界面左上角的新建图标进入优化任务配置界面，用户可分别设置任务名称、优化模型名称和算法名称，并选择算法类型．试验设计和替代模型窗口用于设计试验方案并生成替代模型，用户通过此窗口可进行选择试验方法、设定设计变量水平值、选择替代模型方案以及读入试验数据等操作．3．4系统使用样例三杆桁架优化问题是结构优化设计中的经典样例，三杆桁架尺寸见图6．优化目标是使所有杆件的体积最小．设计变量x 1和x 2分别为杆1（与杆3相同）和2的截面积，约束条件是在载荷P 1作用下，杆1和2的拉伸应力小于许用应力2MPa．优化结果为：x 1=0．7867mm 2，x 2=0．41375mm 2．优化流程见图7．图6三杆桁架Fig．6Three-bar truss64计算机辅助工程2011年http ：//www．chinacae．cn（a ）配置优化任务（b ）浏览优化任务（c ）优化（d ）查看优化结果图7三杆桁架优化流程Fig．7Three-bar truss optimization solution flow4工程优化算例4．1风力发电机叶片优化算例大型风力发电机叶片基本采用蒙皮和主梁的构造形式，本文研究的风力发电机叶片主梁为12层玻璃钢复合材料，有限元模型见图8，主梁从叶片根部图8风力发电机叶片有限元模型Fig．8Finite element model of wind turbine blade到叶端分为2段，铺层纤维分布角度均为［0/0/0/0/45/45/－45/－45/0/0/0/0］T．叶片蒙皮铺层数为12层玻璃钢复合材料，如图8所示，从叶片根部到叶端共分为5段，铺层角度分布为［ʃ45/0/0/0/90/0/90/0/0/ʃ45］T．如果将主梁和蒙皮均分为上、下两侧，为减少计算时间，可假设上、下两侧层合板中纤维角度和铺层厚度相同，各铺层厚度的上、下限均为0 0．2mm．基于SiPESC．OPT 优化软件，编写用于风力发电机优化分析的JavaScript 脚本语言文件．风力发电机优化流程为：首先创建发电机叶片优化模型；使用SiPESC．OPT 文本文件解析模块更新输入文件中的设计变量值，调用计算程序（如Abaqus ）计算叶片有限元模型；解析计算结果文件，提取叶片端部挠度值和叶片质量，统计叶片有限元模型中破坏单元数量，计算优化目标；SiPESC．OPT 的遗传优化算法模块根据设计变量值和目标函数值判断是否达到优化终止条件，如果满足条件，则优化结束，如果不是，则寻找新的设计点，更新输入文件，进行下一个优化迭代步．具体脚本语言代码如下：//创建风力发电机叶片优化模型var theModel =new OptModel ；．．．//设置风力发电机叶片优化模型的设计变量theModel．setVariable （"cl_1_0"，0．09）；theModel．setVariable （"cl_1_0"，Array （0．01，0．02，0．03，0．04，0．05，0．06，0．07，0．08，0．09，0．10，0．11，0．12，0．13，0．14，0．15，0．16，0．17，0．18，0．19，0．20））；．．．//设置优化算法参数DGA．setMINMAX （－1）；DGA．setGENERATION （100）；DGA．setPOPULATIONSIZE （30）；DGA．setMUTATIONPROBABILITY （0．1）；DGA．setCROSSOVERPROBABILITY （0．8）；var Solver =DGA ；//初始化优化算法对象Solver．initialize （theModel ）；//开始优化迭代计算do ｛eval （）；ModelSaver．save （theModel ）；Solver．renewModel （theModel ）；｝while （！Solver．isComplete （））使用DELL T5500型工作站，双CPU ，8核，6GB 内存，1．5TB 硬盘，使用8进程并行计算，经过1005次迭代，优化方案比初始方案的叶片质量减少7kg ，叶片端部挠度降低29mm ，达到减轻叶片质量、提高叶片刚度的优化目标．4．2水轮机替代模型算例水轮机的水力和运行参数直接影响水轮机组的运行安全和经济效益．水轮机的力矩和流量等特性是一个多输入、多输出的非线性系统，目前难以用数学解析表达式进行完整描述．在水电站设计中，水轮机选型以及确定其基本参数和运行条件时，都需要分析水轮机性能．水轮机特性资料大多以特性曲线形式给出，目前国内外普遍采用出厂模型试验，然后依据相似性理论确定原型水轮机的水力性能并计算出水轮机特性．但是，这种方法得到的水轮机特性误差较大．对水轮机做现场能量特性试验，可得到在有限个试验水头条件下水轮机的输出功率和流量等参数，并绘制出特性曲线．水轮机特性曲线传统的绘制方法是根据获得的试验数据手工绘制，使用传统方74第4期杨春峰，等：通用集成优化软件SiPESC．OPT 的设计与实现法手工绘制误差大、效率低；根据水轮机试验的实测数据，利用计算机技术建立水轮机能量特性的近似模型，可大大提高处理效率和精度．基于径向基函数，使用SiPESC．OPT软件，根据水轮机现场能量试验数据［6］，建立水轮机综合特性的近似模型．多种近似模型的平均误差见表1．表1多种近似模型平均误差Tab．1Surrogate models’mean errors多种模型万家寨水电站3号机组能量特性万家寨水电站2号机组振动特性3阶响应面近似模型1．43034．600多二次径向基函数近似模型0．0375．70E－3高斯径向基函数近似模型5．78E－51．25E－4逆二次径向基函数近似模型3．02E－48．27E－6水轮机特性的径向基函数近似模型能真实表达水轮机的特性，计算简便且可以得到近似模型的解析表达式，为进一步利用优化算法优化水轮机的水力参数和运行参数，提高水轮机组的安全性能和经济效益提供良好基础．5结束语（1）具有通用性和开放性的优化软件可广泛应用于复杂的实际问题．（2）通用优化软件SiPESC．OPT具有操作简单、功能全面、可扩展性强等特点，可用于复杂优化问题的求解．（本文获计算机辅助工程及其理论研讨会2011（CAETS2011）优秀论文奖．）参考文献：［1］袁亚湘．最优化理论与方法［M］．北京：科学出版社，1997：1-2．［2］杨芙清．软件工程技术发展思索［J］．软件学报，2005，16（1）：1-7．YANG Fuqing．Thinking on the 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