近空间高超声速飞行器结构多学科优化理论与方法研究

Motivated by the demand of designing Hypersonic Near Space Vehicles (HYNSV) on the national strategic level and aiming at designing the structure of HYNSVs, the present project focus on investigating the establishment of the overall architecture of Multidisciplinary Design and Optimization (MDO), optimization methods considering the thermal-mechanical coupling and multiple objective/constraint functions based on ultra-refined structural modeling, and the computable MDO formulations as well as its efficient solution approaches. Based on the achieved research results, a general MDO theoretical framework including the design, analysis and optimization of HYNSVs can be set up. It is believed that the present project can provide the fundamental theories and technical supports for the development of novel HYNSVs.

本项目以近空间高超声速飞行器设计这一国家重大需求为背景，以近空间高超声速飞行器结构设计为中心，研究高超声速飞行器结构多学科优化整体架构建立，热和力耦合以及多性能、多约束条件下基于精细化建模的层级结构优化设计，多学科优化可计算建模与高效数值求解等关键科学问题。在此基础上建立近空间高超声速飞行器结构多学科设计、分析与优化的理论框架并形成一套行之有效的结构设计方法，为近空间高超声速飞行器的创新性结构设计提供科学基础和技术支撑。

本项目以近空间高超声速飞行器结构设计为中心，研究了相应结构多学科优化的理论与方法。三年来取得了如下重要进展：1）构建了近空间高超声速飞行器结构多学科设计整体框架并发展了优化平台；2）在水平集框架下，提出了考虑应力约束的拓扑优化问题的若干正则化列式；3）基于可变形组件思想，建立了不同于已有优化框架的全新拓扑优化框架；4）提出了可对结构特征尺寸进行完全显示控制的优化列式与方法；5）发展了一系列热和机械载荷作用下轻质结构的多尺度并发优化设计的理论与方法。项目执行期间发表（含已正式接受）国际期刊、国内核心期刊以及国际会议论文91篇（SCI论文78篇），专著2部，专利5项。其中在计算力学领域权威期刊Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering上发表论文6篇；在固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids发表论文3篇；在力学综合类顶级期刊ASME Journal of Applied Mechanics发表论文3篇；固体力学顶级期刊International Journal of Solids and Structures发表论文2篇。相关工作自发表以来已被国际结构与多学科优化协会（ISSMO）前任执行主席 Sigmund，前执委Maute，现执委Wei Chen，法国工业与应用数学学会前任主席Allaire等人多次实质性引用。相关工作被同行学者评价为是对相关问题“透彻的数学分析”、“开辟了新的方向”；所提出的方法被同行学者改进发展用来解决新的问题。项目执行期内，项目成员还获得了“教育部长江学者特聘教授”、“科技部中青年科技创新领军人才”、“教育部自然科学一等奖”、“中国航空学会青年科技奖”、“国防技术发明一等奖”、“国防技术发明二等奖”等奖励奖项。