結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是飛行器發(fā)展的永恒追求。在保證結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕冗余質(zhì)量，提高材料利用效率，進(jìn)而提升有效載荷占比，降低飛行和發(fā)射成本，是飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者共同追求的目標(biāo)。

多尺度結(jié)構(gòu)指的是在不同尺度上具有明顯結(jié)構(gòu)特征的一類復(fù)雜結(jié)構(gòu)。由于在提升剛度、抗屈曲、導(dǎo)熱控制和增強(qiáng)吸能等多物理場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景有顯著優(yōu)勢(shì)，多尺度結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是下一代輕量化結(jié)構(gòu)發(fā)展的核心方向之一，吸引了廣泛的研究和關(guān)注。

        結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)需要依靠先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，主要分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化3個(gè)層級(jí)。拓?fù)鋬?yōu)化是指在給定的邊界條件和約束下通過控制孔洞的數(shù)量、形狀、位置及區(qū)域連通性等特征尋找設(shè)計(jì)域內(nèi)材料最優(yōu)布局，是三者中最復(fù)雜、層級(jí)最高的優(yōu)化方法，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早期階段最主要應(yīng)用技術(shù)。

      由于多尺度結(jié)構(gòu)具有更廣的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間、更好的多物理場(chǎng)綜合性能潛力和更靈活的多功能特性等優(yōu)勢(shì)，面向多尺度結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法是極具價(jià)值的重要研究課題。近些年，在航空航天等工程領(lǐng)域?qū)π滦透咝阅艹�輕結(jié)構(gòu)巨大需求的牽引下，在以3D打印技術(shù)為代表的先進(jìn)制造工藝的強(qiáng)力支撐下，面向多尺度結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)逐漸吸引越來越廣泛的關(guān)注和研究，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域熱度最高的研究方向之一。

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      本文首先介紹拓?fù)鋬?yōu)化的主要方法、基本思想及均勻化思想、均勻化拓?fù)鋬?yōu)化方法的內(nèi)涵和關(guān)系，指出多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法的關(guān)系和差異；然后對(duì)多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)工作進(jìn)行分類梳理，闡述現(xiàn)有的主要多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)工作；接著概括和列舉部分該領(lǐng)域當(dāng)下的關(guān)鍵挑戰(zhàn)性問題；最后將基于現(xiàn)有的研究挑戰(zhàn)和未來發(fā)展需求，給出作者的幾點(diǎn)看法和展望。

論文鏈接：
http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110450

 研究亮點(diǎn)

1）“均勻化”一詞來自多尺度計(jì)算領(lǐng)域，是一種進(jìn)行非均勻介質(zhì)材料等效性能預(yù)測(cè)的思想（見圖1），在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域有著獨(dú)特地位。文章介紹了均勻化方法的發(fā)展起源和思想內(nèi)涵，梳理了均勻化方法在拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的主要應(yīng)用，分析了均勻化方法在多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中被廣泛使用的原因和優(yōu)勢(shì)。對(duì)均勻化方法的認(rèn)識(shí)和理解是多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的關(guān)鍵主題。

圖1 均勻化基本思想

2）多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)工作種類繁多、形式復(fù)雜，目前針對(duì)多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化工作的綜述較少。本文考慮宏觀微觀兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺度的設(shè)計(jì)問題，根據(jù)微結(jié)構(gòu)的宏觀分布形式將多尺度結(jié)構(gòu)分為周期多尺度結(jié)構(gòu)（見圖2）、功能梯度多尺度結(jié)構(gòu)（見圖3）和異構(gòu)多尺度結(jié)構(gòu)（見圖4）3類，分別對(duì)它們的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜述。

圖2 周期多尺度結(jié)構(gòu)示例

圖3 功能梯度多尺度結(jié)構(gòu)示例

圖4 異構(gòu)多尺度結(jié)構(gòu)示例

3）多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)存在緊密關(guān)聯(lián)的三大主題：設(shè)計(jì)空間、計(jì)算量和結(jié)構(gòu)可制造性，各類多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法均需在這三大主題間尋求平衡和折中。三者中，結(jié)構(gòu)可制造性是決定設(shè)計(jì)方案能否實(shí)際應(yīng)用的最直接因素，而結(jié)構(gòu)連通性能的好壞是評(píng)價(jià)可制造性的重要因素，是各種工藝條件下各類多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作都無(wú)法回避的共同問題。本文對(duì)常見的連通性問題解決策略進(jìn)行了梳理和討論。

4）大量的多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用了多尺度計(jì)算方法提高計(jì)算效率，而多尺度計(jì)算方法自身通常具有其特定的前提假設(shè)和適用范圍。文章以當(dāng)前多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化工作中應(yīng)用最多的均勻化方法為對(duì)象，對(duì)其適用性問題進(jìn)行了討論和分析。

5）隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)研究進(jìn)入了人工智能的新時(shí)代。當(dāng)前結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與人工智能技術(shù)呈現(xiàn)出交融發(fā)展的新趨勢(shì)，以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的前沿技術(shù)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的工具手段與方法思路。文章對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)和多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的工作進(jìn)行了綜述，總結(jié)了人工智能技術(shù)在多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)，展望了可能的突破方向。

 研究展望

1）設(shè)計(jì)空間、計(jì)算量和結(jié)構(gòu)可制造性三大主題之間的辯證關(guān)系仍需進(jìn)一步討論，如何協(xié)調(diào)優(yōu)化、計(jì)算和工藝三者的關(guān)系，發(fā)展更加通用高效的方法和理論，具有重要科學(xué)價(jià)值。

2）當(dāng)前工程應(yīng)用中，大多數(shù)多尺度結(jié)構(gòu)都難以滿足尺度分離條件，尺寸效應(yīng)問題不可忽視，尺度關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法需進(jìn)一步發(fā)展。

3）多尺度結(jié)構(gòu)對(duì)加工制造提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工制造是工程中相互制約、緊密關(guān)聯(lián)的兩環(huán)，面向制造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究有巨大的工程實(shí)用價(jià)值。

4）人工智能已在諸多工程領(lǐng)域取得廣泛交叉應(yīng)用，如何充分挖掘以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的先進(jìn)人工智能技術(shù)在多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題中的應(yīng)用潛力是有重要研究?jī)r(jià)值的課題。

5）針對(duì)工程中常見的復(fù)雜幾何外形，需積極發(fā)展適用性更強(qiáng)的共形結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。多尺度結(jié)構(gòu)面臨更加復(fù)雜的強(qiáng)度和破壞問題，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部和交界處應(yīng)力集中效應(yīng)突出，更易發(fā)生屈曲和失效，結(jié)構(gòu)的可靠性在工程問題中十分重要。

6）考慮不確定性的優(yōu)化是結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中的重要研究主題，已有一定理論基礎(chǔ)，多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題框架和設(shè)計(jì)流程更加復(fù)雜，不確定性問題更加具有挑戰(zhàn)性，是很有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颉?/span>

7）多尺度結(jié)構(gòu)在多物理場(chǎng)問題中的綜合優(yōu)勢(shì)需進(jìn)一步挖掘，當(dāng)前多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化工作對(duì)多物理場(chǎng)問題的研究較少，考慮的物理場(chǎng)和耦合關(guān)系較簡(jiǎn)單，處于初步探索階段，面向多物理場(chǎng)的耦合和優(yōu)化技術(shù)有廣闊的研究和發(fā)展空間。

 團(tuán)隊(duì)介紹

     陳小前研究員帶領(lǐng)的飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的建模與近似、靈敏度分析、搜索策略、智能優(yōu)化等基礎(chǔ)理論算法研究和軟件平臺(tái)開發(fā)。

針對(duì)飛行器設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)科學(xué)問題，從建模分析和優(yōu)化求解等方面開展理論研究，在不確定性設(shè)計(jì)優(yōu)化、飛行器結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c布局優(yōu)化、多物理場(chǎng)仿真代理模型、智能設(shè)計(jì)算法等方向取得較大進(jìn)展，并以相關(guān)算法為基礎(chǔ)構(gòu)建了面向飛行器的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)，相關(guān)理論算法和軟件成果推廣應(yīng)用于國(guó)內(nèi)10余家航空航天相關(guān)科研院所，在衛(wèi)星、火箭、高超等多個(gè)飛行器分系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)工程實(shí)例中得到成功應(yīng)用，推出了具備完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于內(nèi)㠌物理知識(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主開源框架IDRLnet。

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