支持性能导向的产品多面体夹芯结构正向设计理论、方法及应用研究

The project proposes the performance-oriented positive design theory and method for product polyhedron sandwich structure and integrates a high level of sandwich body cell shape performance space evolution mechanism into the top down design process of product polyhedron sandwich structure. Through the research on positive topological expression of product polyhedron sandwich body cell based on body cell evolution, positive combination layout of product polyhedron functional element based on structure-activity synergy, positive correlation solution of product polyhedron core body configuration based on geometric homotopy, and positive sequence structure regulation of product polyhedron sandwich structure based on space nest, the project establishes a set of algorithms of sandwich body cell (body cell evolution and topology expression), functional element (structure-activity synergy and composite configuration), core body configuration (geometric homotopic and associated solution), and sandwich structure (nested configuration and sequence structure regulation). Then, the performance-oriented positive design prototype system software for product polyhedron sandwich structure is exploited. The system software is applied to the innovation design of a new generation of product polyhedron sandwich structure (in the aerospace craft, high performance CNC machine tools and other major equipment products) which verifies its effectiveness. The project realizes the design process in which the body cell and element are regarded as the interactive tools, as well as the interaction between function layout and configuration solving with is regarded as the content. In this way, it can provide the theoretical basis, methodological support and tool support for the positive evolution design of product polyhedron sandwich structure based on body cell evolution.

本项目提出支持性能导向的产品多面体夹芯结构正向设计理论和方法，将高层次的夹芯体胞形状性能空间演变机理融入产品多面体夹芯结构自顶向下设计过程，通过基于体胞演变的产品多面体夹芯体胞正向拓扑表达、基于构效协同的产品多面体功能基元正向组合布局、基于几何同伦的产品多面体芯体构型正向关联求解和基于空间嵌套的产品多面体夹芯结构正向序构调控研究，建立夹芯体胞（体胞演变与拓扑表达）、功能基元（构效协同与组合布局）、芯体构型（几何同伦与关联求解）、夹芯结构（嵌套排布与序构调控）的一整套算法，开发支持性能导向的产品多面体夹芯结构正向设计原型系统软件，在新一代新型产品多面体夹芯结构（应用于航空航天飞行器、高性能数控机床等重大装备产品）创新设计中得到应用与验证，实现以体胞基元为交互工具、以功能布局和构型求解的互相作用为内容的设计过程，从而为基于体胞演变的产品多面体夹芯结构正向设计提供理论依据、方法支撑和工具支持。

产品夹芯结构在航空航天、舰艇船舶、装甲防护等国防军工领域有着重要的应用，是航空航天飞行器、高速轨道车辆、高性能液压机床等重大装备实现结构大型化、重量轻质化、工况极端化的关键结构。项目提出了支持性能导向的产品多面体夹芯结构正向设计的基本原理，将体胞基元作为设计师表达设计意图的工具，体胞基元及其求解过程不仅表达了夹芯体胞形状性能空间演变机理，而且也记录了产品多面体夹芯结构自顶向下设计中的演化过程，反映了设计的历史，为基于体胞演变的产品多面体夹芯结构正向设计提供理论依据。提出了支持性能导向的产品多面体夹芯结构正向设计的一整套方法，包括基于体胞演变的产品多面体夹芯体胞正向拓扑表达、基于构效协同的产品多面体功能基元正向组合布局、基于几何同伦的产品多面体芯体构型正向关联求解和基于空间嵌套的产品多面体夹芯结构正向序构调控，为产品多面体夹芯结构正向设计过程中功能布局和构型求解提供方法依据与技术支撑。提出了具有普遍适用性的夹芯体胞（体胞演变与拓扑表达）、功能基元（构效协同与组合布局）、芯体构型（几何同伦与关联求解）、夹芯结构（嵌套排布与序构调控）的一整套算法，为产品多面体夹芯结构正向设计过程中基于体胞基元的交互提供工具支持。在国内外重要学术期刊/国际重要学术会议发表学术论文24篇（国际期刊论文15篇，SCI收录论文15篇，EI收录论文9篇），取得具有自主知识产权的成果9项（申请国家发明专利9项，授权国家发明专利6项），相关研究成果获2019年浙江省科技进步一等奖，在新一代新型产品多面体夹芯结构（应用于高性能液压机床、智能软体机械手等）的创新设计中得到应用与验证，实现以体胞基元为交互工具、以功能布局和构型求解的互相作用为内容的设计过程，从而为基于体胞演变的产品多面体夹芯结构正向设计提供理论依据、方法支撑和工具支持。