面向智能制造的高性能集成结构构型设计方法与应用研究

The intelligence manufacturing-oriented configuration optimization design problem of high performance integrated structures, becomes a core issue to be solved for the advanced manufacturing and design technologies, and is of great significance in theories and engineering applications. In order to make great breakthrough in some key scientific problems on methods and their applications of the intelligence manufacturing-oriented configuration optimization designs of high performance integrated structures, three key scientific issues are deserved to be investigated:(1) To investigate a gray element suppressing method of topology optimization of a structure under multiple load cases, in which structural static and dynamic requirements are given, and structural optimization modelling methods based on a smoothing structural boundary requirement；(2) To explore constraint expressions of intelligence manufacturing and local length scale controlling on the structure configuration designs, and structural optimization modelling technologies with synergy and fusions of these constraints and structural topology configurations；(3)To develop the intelligence manufacturing-oriented complex integrated structural modelling methods of functional characteristics layouts and structural topology configurations. Therefore, the theory and methods, key algorithms, design flow and software modules of configuration optimization designs of high performance integrated structures with manufacturing constraints, are developed by the close combination of the advanced design methods and the actual demand of the advanced manufacturing. The outcome of the project will provide some important and valuable research achievements so as to solve the common and difficult issues of the integrated structural optimization in the domain of the advanced manufacturing, and enrich and develop the theory and method of the frontier of the structural and multidisciplinary topology optimization.

面向智能制造的高性能集成结构的构型优化设计问题是先进结构设计和制造技术发展亟待解决的核心问题,其研究的理论意义和工程应用价值重大。本项目旨在面向智能制造的高性能集成结构构型设计方法与应用的关键科学问题研究方面取得突破,开展以下三个关键科学问题研究:(1)研究多工况载荷下结构静、动力学性能要求的拓扑优化的灰度单元抑制方法和考虑边界光滑化要求的结构优化模型化方法；(2)探究长度尺寸控制和多个制造工艺要求的约束表征, 以及它们与结构拓扑构型协同和融合的优化模型化技术；(3)发展面向智能制造的功能特征布局和结构构型的复杂集成结构模型化方法。将先进设计方法与先进制造实际需求密切结合, 形成考虑智能制造工艺约束的高性能集成结构构型优化理论和方法、关键算法、设计流程和软件模块；为解决先进制造领域集成结构优化中的共性难点问题提供有重要价值的成果，丰富和发展结构与多学科集成结构优化前沿的理论与方法。

集成结构拓扑构型设计与智能制造的紧密协同和融合能够同时从设计和制造两方面挖掘潜力，实现功能、高性能和低成本于一体的创新集成结构，具有重要的理论意义和工程应用价值。首先，分别构建了多工况载荷下结构柔顺度双凝聚函数，研究了其相关的参数影响规律, 发展了一种适应性强的解决结构拓扑优化中的病态载荷问题的优化方法。然后, 探索了结构拓扑实体与空腔的长度尺寸控制、限制封闭空洞、可制造连通性和功能特征等的约束表征，以及它们与结构拓扑构型协同和融合的优化模型化技术。研究了基于改进的带惩罚的固体各向同性材料（SIMP）模型的结构动应力及动态疲劳等局部性能约束、结构屈曲和频率等约束的总体凝聚减缩的联合优化模型等效技术，发展了面向智能制造且涉及动态应力响应约束和/或高周动疲劳约束、屈曲约束和多相材料设计等的复杂集成结构拓扑稳健优化模型近似技术；引入了 Heaviside 三场映射方案和两个不同的体积约束以获得清晰的 0/1 分布，通过在优化模型中增加自适应可行域调整措施来增强求解方法的稳健性和寻优能力。建立了刚度模量、质量密度和体积等的光滑惩罚函数之间的合理匹配关系，综合消除了自重引起的寄生效应、低阶伪模态和低阶伪屈曲模态现象，并极大地提高了优化计算效率。研究了多输入多输出的无铰链和完全解耦柔性机构柔度最小化拓扑优化方法。形成了面向智能制造的高性能集成结构构型设计基本理论与方法、关键算法、设计流程和软件模块。完成的大量仿真算例结果验证了所提方法的正确性和有效性。成功将提出的方法和相应的软件应到了铝合金纯电动车白车身和副车架的优化设计。本课题已发表期刊和会议论文22篇，其中会议论文3 篇, 13篇被 EI 收录, 9 篇被 SCI 收录。已申请二项国家发明专利。另有 3篇论文已投 Engineering Structures等刊物。培养了3名博士和16名硕士研究生，其中2人获得了博士学位，13人获得了硕士学位。 项目成果促进了结构优化学科的进步和机械领域设计及制造技术的发展。