层级杆系结构的优化设计

生物材料和生物体都是具有丰富层次的层级结构，虽然它们只由以蛋白质为主的软材料和以无机矿化物为主的硬材料组成，但具有优异的力学性能。工程中著名的埃弗尔铁塔、金门大桥等巨型结构，都是具有丰富层次、表观密度相当低的层级结构，历史证明了它们具有优异的力学性能。受到这些优异的层级结构启发，本申请旨在深入研究若干典型工程层级结构，分析它们在特定层次上的各种破坏模式和破坏强度，研究特定层次的结构拓扑布局、形状与尺寸参数对这些破坏模式和破坏强度的影响，在可能的条件下给出解析表达式以得到规律，从而理解这些结构优异的力学性能及其本质；在此基础上，研究将结构拓扑优化、形状优化和尺寸优化混合起来的层级杆系工程结构的优化设计方法，在给定结构重量的条件下，考虑结构的刚度强度和破坏等力学条件的约束，实现工程层级结构的优化设计，并用实验验证若干优化设计，分析可能的缺陷的影响。争取获得工程层级结构优化设计的若干规律性认识。