多构件结构布局与构件拓扑协同优化设计

结构拓扑优化已经成为创新设计的重要工具，在先进工业装备结构的轻量化和多功能设计中具有重要的应用前景。目前结构拓扑优化主要针对单一构件，而实际工程结构中往往是由梁、板、壳等构件组成的复杂多构件结构，各构件的最优拓扑与构件布局（构件的布置和相互连接关系）有关，同时构件的拓扑形式又影响构件布局。因此，多构件结构布局与构件拓扑应同时考虑。本项目主要针对多构件结构，研究建立构件最优布局设计与最优拓扑设计协同的设计理论和方法。研究能够清楚表征构件几何构型和连接关系的布局描述方式，以使在优化过程中能够准确描述应力、局部稳定性等局部状态量以及全局状态量（如位移、频率等），其优化设计结果能够直接应用于工程；研究考虑以结构重量、刚度、强度、稳定性等性能为约束条件或目标的构件布局优化问题的数学提法和求解方法；研究结构拓扑与布局耦合的设计策略，建立构件布局与拓扑协同优化设计的理论和方法。

本项目的总体目标是建立由梁、板、壳等构件组成的复杂多构件结构的最优布局设计理论和方法，研究建立多构件结构布局与构件拓扑协同设计方法。研究工作取得了如下标志性成果：1）提出了两种实现多构件结构布局优化理论方法，包括基于梯度求解方法求解的钢架/桁架结构截面选型设计新方法（GSFP方法）和飞机翼面结构中的墙/肋/桁条等多种类型构件的布局优化设计方法；2）提出了两种实现多种构件布局与构件拓扑协同的优化设计方法，包括基于GSFP方法和构件自动分组策略协同优化方法和考虑压电驱动元件布局的作动器拓扑优化设计方法；3）研究了构件之间螺栓连接部位精细化分析与设计方法；4）基于提出的设计理论，在飞机重点型号的大部件设计、高档数控机床的支撑件设计、火炮炮架设计等国家重大工业需求中的应用，实现了20多个部件的创新构型设计。共撰写1个章节的英文专著，软件著作权2项，发表学术论文19篇，其中EI检索6篇，已投递论文4篇。