整体式结构系统的协同布局优化设计技术研究

整体式结构系统的布局优化是改善飞行器结构综合力学性能、实现结构小型化、轻量化和紧凑性设计的关键技术。针对设备组件与支撑结构的整体式构成特点，从组件在一定空间内的装填布局设计、支撑结构的构型设计两方面开展研究，提炼出结构系统综合力学性能协同布局优化这一基本科学问题，深入探讨二者的最优化匹配设计机理。为了兼顾两方面因素对结构系统综合力学性能的影响，从机械承载和动力学响应方面入手，提出基于装填布局优化和拓扑优化技术相结合的协同布局设计新方法（包括动网格设计变量定义的密度点技术、组件的超单元技术），综合运用半解析灵敏度分析技术和高效优化算法，提高大规模优化设计问题的计算精度和求解效率，最后利用原理性试验进行设计结果的性能验证。

飞行器多组件结构系统的整体式布局优化设计是一个复杂力学问题，对提高有效载荷与综合性能至关重要，关键问题包括避免组件相互干涉、组件与结构耦合建模的重分析效率以及并行设计等求解难题。.为此，本工作提出了避免组件几何干涉的有限包络圆近似方法，构建了动网格条件下组件的超单元建模与结构的高效重分析方法，实现了组件结构整体布局优化问题的理论描述与求解。主要研究技术成果如下：.1）在研究组件干涉约束的同时，考虑了系统质心位置、质心横偏、转动惯量等物理性能约束指标，保证寻优策略能够处理装填布局NP困难问题存在的大量局部解，保证优化问题的顺利收敛。.2）通过研究单元质量与刚度的匹配惩罚力学机理，揭示材料属性插值模型函数的构造规律，避免了动力学拓扑优化时常导致材料布局奇异，造成局部模态、响应模态畸变和分析失败等数值不稳定现象。.3）研究在静载荷和动载荷环境下考虑装填和拓扑两种问题的同时求解，包括解决组件和结构匹配设计所蕴含的模型动态刷新、重分析计算、动网格拓扑设计变量定义、两类设计变量的灵敏度高效计算和收敛稳定性等问题。.4）针对含有大量组件的整体式结构系统模型计算规模庞大的特点，研究高效的结构重分析技术对静载荷、动载荷耦合问题进行快速求解，组件空间布局和结构拓扑构型两类设计参数的同时迭代更新，解决了有限元网格重构和材料布局描述之间的矛盾。.研究工作发表学术论文16篇，其中SCI检索8篇，出版英文著作一部。成果获受理国家发明专利4项，授权1项。成果成功支持了大型运载火箭一箭四星上面级结构等重点型号研制工作，中国运载火箭研究院等应用单位评价为：“对提高传载效率、减轻结构重量起到了重要技术支持作用”、“有力保障了型号研制工作顺利推进”、 “为武器装备总体布局、组件布局、支撑结构优化提供了重要的启发”。先后获陕西省科学技术一等奖、二等奖各一项，项目负责人2012年破格晋升教授，并被评为2014年度陕西省青年科技新星。.负责人受邀担任第4届国际多学科优化与应用会议组委会主席、仿真与多学科优化国际期刊副主编，担任三个中外联合研究机构副主任、外专局111计划“结构力学行为科学与技术创新引智基地”骨干成员、国家首批外专千人计划合作项目研究骨干。