超轻量化飞行器构件宏微多级结构一体化设计方法

Conventional topology optimization methods for the design of macroscopic structures could not provide ultra-lightweight and super-stiffness structures as required by the new generation hypersonic aircrafts. Under this background, this project aims to develop a new numerical design framework to further explore the design potentiality by means of an integrated design of the topologies of both structures and their underlying substructures, yielding high-performance and ultra-lightweight designs. Conventional integrated or simultaneous designs which are based upon homogenization theory assume a clear separation of scales. On the contrary, this project adopts substructuring approach for multiscale modeling and expects to provide manufacturable and connectable hierarchical designs. In order to improve the design efficiency, both surrogate modeling and parallel computing strategies are to be developed with regard to the design of substructures. By the synthesis of hierarchical topology optimization, multiscale modeling using substructuring, surrogate modeling and parallel computing, it is expected to develop a highly efficient design framework by this project for high-performance and ultra-lightweight hierarchical aircraft structures.

传统仅针对宏观结构构型的拓扑优化设计方法已无法满足新一代高超声速飞行器构件更为苛刻的超轻质、高强韧的性能需求。在此背景下，本课题提出宏微多级结构一体化设计理念，基于拓扑优化设计，对宏观结构构型和微结构构型开展尺度耦合的一体化设计，进一步发掘设计潜力，实现高性能、超轻量化结构设计。区别于传统基于均匀化理论的一体化设计研究，本课题拟通过子结构建模实现“尺度关联”的多尺度/多级结构的性能表征和优化设计，将充分考虑微结构构型间的连接性，继而保障设计结果的可加工性。本课题将进一步建立针对子结构构型设计的代理计算模型和并行计算方案，提高一体化设计效率。结合子结构多尺度性能表征、拓扑优化一体化设计、代理计算模型以及并行计算等模块的研究，预期形成一套针对宏微多级结构的高效一体化设计方法，实现高性能、超轻量化的飞行器构件设计。

面向飞行器承载结构高性能和超轻量化的性能设计需求，项目结合多尺度模拟、代理计算和拓扑优化，发展了一系列面向多尺度/多层级结构的高效设计方法。针对传统基于尺度分离模型假设的多尺度宏微结构一体化设计中存在的微结构间的连接性、设计与制造性能偏差等难题，基于子结构有限元建模和模型降阶计算，重点发展了一种数据驱动的多构型点阵混合结构拓扑优化设计方法。针对工程中逐步广泛应用的壳体填充结构，通过约束结构中的最大尺寸实现对填充微结构构型的灵活调控，新发展了一种渐进式壳体填充复合结构高效一体化设计方法，并开展了增材制备与性能测试研究。此外，在本项目的支持下，面向工程需求下开展了若干考虑结构服役安全性的设计方法研究，新方法设计的发动机外部支架为航空院所提供了新的设计思路。相关研究成果形成高水平SCI期刊论文14篇（第1标注6篇），发表于Additive Manufacturing (IF:7.002), Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering（IF:5.763），Structural and Multidisciplinary Optimization（IF:3.377）等领域知名期刊，申请发明专利4项，已授权2项。