半序微结构多孔模型双尺度设计优化

The complex internal structures of porous model provide numerous design freedoms for its physical performance improvements. By first performing design optimization using computational technologies before constructing a real physical prototype, the design cycle is shortened and the physical properties are improved. However, general porous models composed of regular micro-structures, which are of the same shapes, sizes and orientations, ignores the essential role of the sizes and orientations in determining the model's macro- physical properties, does not fully use the design potentiality, and cannot construct models of smooth boundaries; on the other hand, porous models composed of completely irregular microstructures have too large freedoms to easily perform shape manipulations. The project aims to study the theoretical and operational approaches for biscale design optimization of porous models. It builds on the advanced technologies of geometric computing, engineering analysis and computational material, and provides a novel concept of semi-regular porous models - - - - models composed of heterogeneous microstructures with overall controllable size and orientation distributions. By breaking through key challenges of biscale geometric modeling, biscale engineering analysis in combination with model reduction and biscale design optimization, it achieves the ultimate goal of concurrent optimization of the microstructure topology, element distributions, and macrostructure topology. The projects has potential values of theoretical and practical applications in fields of ultra-light materials, computer-aided design and 3D printing.

多孔模型千变万化的内部微结构为模型提供了广泛的设计空间。可利用前沿信息技术，在模型制备前进行产品设计优化，提升产品性能，缩短产品成型周期。然而，传统有序微结构模型采用方向尺寸完全相同的各向同性微结构单元，忽略了微结构的尺寸和方向分布对模型宏观性能的决定性作用，设计潜力远未充分发挥，亦难以实现复杂表面光滑模型设计；无序微结构模型则自由度过大，难以实现有效控制。为此，项目致力于多孔模型微观-宏观双尺度设计优化的研究，从几何计算、工程仿真和计算材料等多学科融合角度出发，通过构建新型的半序微结构多孔模型（受一定尺寸及方向分布控制的各向异性微结构多孔模型），突破双尺度几何建模、物理性能双尺度约化仿真计算、双尺度设计优化等关键技术，实现模型微结构拓扑、单元整体分布和宏观拓扑的一体化设计优化。项目的开展不仅对多孔模型的优化设计具有重要意义，也将为超轻多孔材料、计算机辅助设计、三维打印等领域提供技术支撑。

多孔模型具有质量轻、功能符合的优良特性，能吸收降低噪音、屏蔽电磁辐射、吸收冲击能量，在汽车、航空、航天、军工工业、医疗等领域具有广泛的潜在应用价值和战略意义。. 项目以创新的半序多孔模型为研究对象，围绕其建模、仿真、优化等内容有序展开，在基础理论、计算方法、系统实现、实际应用等四大方面进行系统深入的研究，获得关键性技术突破。在理论上推导了创新的锥拓扑优化理论，提升了优化设计的全局收敛性，以及最终结构的性能；同时，充分挖掘核心的微结构设计空间维度（含材料、方向性、分布和几何外形控制等），拓展了宏观结构设计潜力，获得了优于经典算法的结果。在仿真效率上，实现了基于模型约化的双尺度加速技巧，仿真-优化全GPU并行计算框架，提高仿真效率至少2个数量级。在实际应用的核心算法支撑上，实现了相互连接的各向异性多孔结构优化设计、纹理引导的拓扑优化、满足指定运动轨迹的形变体设计、自支撑多尺度优化等相关研究工作。. 在项目执行期间，共发表或投出具有重要影响力的国际论文共16篇，同时在ACM SPM, ASME DETC/CIE，CAD&A等重要国际会议进行论文宣讲，形成鲜明的研究特色，产生一定的影响。培养相关方向博士生7名，硕士生7名。同时后续研究获得国家自然科学基金面上项目一项，国家重点研发项目一项。项目研究成果被浙江大学转化医学院、杭州先临等单位或企业高度认可，目前已展开生物器官、军民用头盔方面的产业应用研究。