面向近空间飞行器多功能超轻质结构设计优化理论

本项目以近空间飞行器轻量化设计为目标，采取结构/材料一体化设计和多功能协同设计的途径，研究实现这一目标和途径的结构优化理论和方法，获得若干典型的结构/材料设计新构型；研究建立集结构拓扑、形状、尺寸优化和材料选择于一体、考虑设计相关荷载作用、复杂边界形状和复杂设计区域和受几何空间约束的精细结构优化理论和方法，以适应近空间飞行器"整体结构"等设计的需求；研究建立具有承载能力和吸能、防热/传热和特殊物理波传播特性的多功能超轻结构/材料新构型一体化设计的理论模型和高效算法，并且基于仿生的"层级结构"，发展"层级结构"的优化设计理论和方法；研究超轻质多功能材料的性能表征方法，探讨轻质材料的制造工艺与试验技术。探讨不同尺度参数并存的分析模型和优化模型的建模、敏度分析和优化求解，建立材料性能预测、结构分析、敏度计算和优化问题求解等多尺度算法，开拓和发展多尺度设计优化这一新的研究方向。

研究了近空间飞行器轻质结构与材料创新构型设计的优化理论和方法。以多层级结构的多尺度并发优化和多功能协同优化为主要减重手段，针对若干典型“整体结构”与“组合结构”部件，研究建立了结构刚度、强度、稳定性、动力基频、阻尼减振、防隔热、抗缺陷和特殊物理波传播等性能的精细结构优化理论和方法，研究了若干超轻质多功能材料的性能表征方法，探讨了轻质材料的制造工艺与试验技术，对分析理论和设计方法给予了验证。以结构拓扑优化和仿生启发为主要技术手段，针对具有复杂结构形式、边界和载荷条件的多几何尺度参数并存的飞行器结构，提出并建立了若干多尺度分析技术与减缩模型，深化了以多孔各向异性材料人工密度法为代表的多层级结构优化设计的理论框架，建立了相应的若干新型高效算法。基于以上成果完成了数项工程应用。获得国家教育部自然科学1等奖；发表国际期刊、国内核心期刊以及国际会议论文148 篇。