摘要：多胞材料是一种内部含有大量空穴和胞元的结构,具有轻质、高比吸能等特性,广泛应用于航空航天、交通运输和人体防护等碰撞/爆炸防护领域。引入梯度设计可实现多胞材料的有序耗能和载荷调控,满足不同情形和工况下的防护需求。对梯度多胞材料动态力学行为和设计的研究进展进行了综述,着重介绍了梯度多胞材料/结构在抗冲击、抗爆炸和模拟爆炸载荷加载3个方面的应用案例。首先,介绍了梯度多胞材料的分类,较系统地总结了梯度多胞材料在动态加载下的变形特征、冲击波模型、防护性能等方面的研究,阐明了梯度多胞材料的密度/强度梯度与惯性效应存在的竞争机制。其次,以冲击波模型为力学原理指导梯度多胞材料/结构设计,介绍了梯度多胞材料耐撞性反向设计、多种抗爆炸夹芯结构设计、计及弹靶耦合效应的爆炸载荷模拟器设计等策略,实现了最佳防护效果或载荷精准控制,为抗冲击/抗爆炸防护设计和快速评估提供理论基础和技术支撑。最后,展望了梯度多胞材料在极端环境加载、大能量冲击和强非线性载荷调控等需求下冲击防护领域的应用前景。

摘要：针对高鲁棒性包带式星箭连接结构(CBJ)优化设计问题,提出一种兼顾结构的连接承载性能与分离冲击响应的包带式星箭连接结构轻量化设计方法。优化设计基于包带结构三维非线性有限元参数化模型,以连接框与夹块径向截面尺寸参数为设计变量,以结构静力学承载性能与动力学分离冲击为约束,以轻量化为目标。针对优化中设计空间高维度、非规则导致的算法收敛困难问题,提出了基于近似模型与序列采样策略的约束序列近似优化(CSAO)算法。结果表明:算法可实现在复杂设计域内迅速收敛至最优解,相较于初始设计,优化结构的质量降低了5.62%,同时,结构连接刚度提升了19.27%,卫星下裙解锁冲击降低了18.52%,在满足性能约束的条件下减重效果明显,验证了提出方法的有效性。设计的优化构型兼顾了连接与分离特性,具有一定的工程应用价值。

摘要：本文综合论述了近年来结构拓扑优化领域与深度学习技术交叉融合发展的相关研究进展.围绕结构拓扑优化设计的核心方法与关键环节,从深度学习赋能的角度系统性梳理了两大类赋能方法.研究指出,基于深度学习技术的结构优化设计全局代理模型构建方法作为一种直接映射式结构设计方法,因其简单而典型的设计思想目前已被广泛研究,然而全局代理模型在计算性和泛化性上的局限与不足也尤为明显;融合深度学习技术的结构优化设计局部子环节加速与替代方法是一种更加灵活与多样的局部赋能形式,具有较好的普适性和独特的优越性.文章对智能赋能结构优化未来的发展进行了展望,研究重点在于深度学习与结构设计的有机结合方式,以及数据和知识的混合驱动设计范式.

摘要：点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求.而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式,其相应的理论设计方法尚不完善.文章基于灰狼智能优化算法,提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型,以实现变截面点阵几何形状的自由描述;其次,采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性,建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系;然后,以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最小化柔度为目标函数,构建变截面点阵优化数学模型,并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解,得到性能优化的变截面点阵结构;最后,通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性,并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较.结果表明:优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上,具有更优异的承载能力.研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论,在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景.

摘要：爆炸冲击载荷严重威胁了国防和工业装备的服役安全,吸能缓冲材料可有效降低冲击引起的结构振动和破坏。泡沫铝等传统吸能材料力学性能较为单一,设计域大小有限,亟需发展新型吸能缓冲材料。基于冲击响应数值模型,系统研究了冲击过程中多孔材料的吸能机理,表明吸能材料强度适中时才能发挥较好的缓冲减振效果;为了实现吸能材料的定制化设计,进一步基于机器学习和遗传算法设计了具有不同吸能特性的曲面力学超材料,并通过仿真结果验证了曲面力学超材料在吸能减振中的有效性。该研究为新型吸能材料和降冲击优化设计提供了重要的技术支撑。

摘要：在全球气候变暖危机和“双碳”战略的大背景下,开发使用木基材料替代传统结构或功能材料,可以大大降低能源消耗,减少碳排放并增加碳封存量,对改善生态环境、实现绿色可持续发展具有重大意义.近年来,为了开发利用木质资源并提升传统木基材料的宏观性能,不少学者通过自上而下的“两步改性”策略实现了木材中从微观尺度到宏观尺度的多尺度结构设计调控,从而赋予了木基材料诸如高强度等不同的宏观性能,为开发设计可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地.基于此,文章围绕木基材料中自上而下的多尺度结构设计策略进行了详细综述:首先简要概述了木材天然具备的跨尺度多层级结构,接着综述了微观尺度下木基材料中由纤维素主导的力学行为机制,其次从细胞壁工程的角度回顾了不同微结构调控策略以及得到的具有不同性能的木基材料,随后简要综述了近期木基材料的功能化应用新进展.最后总结了现有木基材料多尺度结构设计方面存在的不足并提出了相应的研究展望.

摘要：为推广拓扑优化设计方法的工程应用,需要在设计过程中考虑结构鲁棒性以应对实际工程荷载的随机性。本文基于神经网络提出了鲁棒性结构拓扑优化设计的高效方法。该方法通过优化Fourier-TOuNN神经网络的权值更新描述结构拓扑的密度变量,并引入随机荷载下结构柔顺度平均值和标准差的加权总和作为目标函数,从而定义了随机荷载下的结构鲁棒性优化问题。利用神经网络的自动反向微分功能,实现了优化过程中灵敏度的直接求解。借助Fourier-TOuNN细部尺寸可控特性,可在结构中生成细小支撑以抵抗随机荷载。数值算例表明,采用本文提出的方法可以高效地获得鲁棒性稳健的优化设计结果。

摘要：舰船设备支承件的冲击特性研究受到各国海军的重视,然而超过常规冲击机能力范围的冲击载荷等要求,使得开展大负载支承件冲击强度试验成为难题。以某型动力设备的大负载复合材料支承为对象,采用水下非接触爆炸的方式,以标准浮动冲击平台冲击环境为输入参数设计其冲击强度试验方法:在低速冲击条件下,通过保证冲击载荷、降低试验负载质量、提高系统安装频率的途径来设计试验装置,依据冲击谱和冲击载荷计算对应的试验冲击因子来设计强度试验工况,并得出了实际试验与设计参数之间因试验系统多个结合面对冲击载荷传递影响的折减系数。试验结果表明,复合材料支承承受的冲击载荷与要求值之间的偏差在5%以内,为今后开展类似试验提供了参考。

摘要：研究了一种基于空间填充设计方法与二维泰森多边形方法的梯度连续可控夹层结构的设计方法.通过控制形核点的分布函数,实现夹层结构面内相对密度的径向梯度分布且环向均匀分布,进而对结构的抗冲击性能进行调控设计.利用6061O铝合金加工制备了不同面板厚度的梯度夹层板进行落锤冲击实验,并采用Abaqus/Explicit软件建立了三维有限元分析模型,实验结果和数值模拟结果有较好的一致性.通过实验观测与数值模拟得到梯度夹层板在低速局部冲击载荷作用下的变形机制,基于理想刚塑性金属材料本构建立了低速局部冲击载荷作用下面内梯度夹层板动态响应的理论分析模型,分析了面板与芯层的变形模式与吸能机理.对形核点分布函数特征参数进行了分析,得到了形核点分布函数对梯度夹层板抗冲击性能的影响规律,阐明了特征参数对力学性能的调控机制.以特征参数为设计变量,以低速局部冲击载荷作用下梯度夹层板的抗冲击性能为优化目标,建立多目标优化问题,利用试验设计方法、代理模型技术及多目标遗传算法求解得到Pareto解集,并利用最小距离选择法得到了综合最优解.验证了梯度连续可控夹层结构的设计方法是可行且有效的.

摘要：轻质高强韧结构设计一直是力学和材料等学科交叉的前沿问题,也是工程应用的不懈追求.生物材料经历数百万年进化,兼具轻质、高强度和高韧性力学性能,成为高性能工程材料设计的模板.然而,生物材料往往具有跨尺度、多层级的复相结构和界面特征,会产生非线性、多过程的变形和断裂行为,进而决定强度和韧性等力学性能.如何发展定量的力学模型、阐明生物材料的结构-界面-强韧力学性能间的关系,并为高性能仿生材料制备提供优化设计方案成了近期的研究前沿.本文以极具代表性的生物“砖泥交错结构”和“扭转纤维结构”为例,从力学模型和力学机制方面,首先梳理仿生异质结构代表性单元体(RVE)的非线性力学响应与其结构间的关联;然后讨论含主裂纹仿生异质结构的断裂行为及其与RVE结构间的关联;进一步,基于力学模型和机制,给出优化强度、韧性、抗冲击性和断裂韧性等性能的力学设计方案;最后,提出仿生异质结构非线性力学与优化设计中存在的挑战和未来的发展方向.