面向增材制造的显式拓扑优化方法研究

The aim of the present project is to develop an explicit topology optimization framework for solving the challenging problems in additive manufacturing. In the proposed framework, the manufacturing constraints, including the minmum feature size, the overhang angle, the connectivity of voids and self-support requirement, can be characterized and dealt with in a mathematical and geometry way. With use.of the proposed method, it is expected the optimized structure can be manufactured in additive manufacturing without post-processing. The innovative work will provide some new ideas for topology optimization problem in additive manufacturing. In addition, the project can effectively combine topology optimization and additive manufacturing and enrich the application of the topology optimization approaches in the field of complex structures design.

本项目拟通过深入的基础理论和数值方法研究，针对增材制造过程给结构拓扑优化带来的若干挑战性问题，建立一种不同于现有基于隐式描述、完全基于显式几何描述的拓扑优化新框架。在所发展的新框架下，通过对可制造性约束进行显式、几何的数学表征，可直接而有效的统一处理与增材制造过程密切相关的最小加工尺寸/悬挑角度/连通性控制以及自支撑结构设计等问题。所得到的拓扑优化设计能够尽可能地直接用于增材制造而无需诉诸于可能破坏结构最优性的后处理。本项目旨在为面向增材制造的结构拓扑优化方法研究提供新的研究思路，具有较为鲜明的创新性。研究成果对拓展结构拓扑优化方法与增材制造技术的有效结合以及在复杂结构创新设计中的应用都具有一定的参考价值。

本项目面向增材制造工艺发展了一套能够统一处理各种加工约束的拓扑优化理论框架和相应的数值求解算法。已在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 》、《International Journal for Numerical Methods in Engineering》及美国机械师工程学会会刊《ASME-Journal of Mechanical Design》等杂志上共发表SCI论文21篇，标注论文15篇，其中第二标注论文1篇、第三标注6篇；申请发明专利4项。共有4篇发表于计算力学顶级期刊CMAME、3篇发表于计算力学优秀期刊IJNME。项目执行期间，项目负责人还获得国家自然科学奖（二等奖），获批国家自然科学基金委“优秀青年基金”资助；获辽宁省青年科技奖、“钱令希计算力学奖”青年奖、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、辽宁省优秀科技工作者，大连市杰出青年科技人才等奖励和称号，入选大连市高端人才“领军人才层次”；担任固体力学学报(英文版)青年编委、中国力学学会第九届计算力学专业委员会秘书、SCI期刊《Computer Modeling in Engineering & Sciences》特刊编辑、《Symmetry-Basel》编委，并受邀在亚洲结构与多学科优化学会所举办的ACSMO2022做半大会报告。