高超音速飞行器增材制造结构多功能协同优化设计理论和方法

Additive manufacturing can manufacture highly complex structures with multi-materials distributed on multiple scales (micro to macro), such that it can ensure the manufacturability of the design obtained by freely distributing the materials (i.e. optimizing the material compositions, the micro-structural configurations and their spatial distributions) according to the design demand. In a sense, this will expand greatly the innovative design space. Based on the superior manufacturing ability of additive manufacturing, and aiming at the great requirement for light-weight and high performances of heat-shielding and load-bearing, this project contributes to establish the multi-functional collaborative design theory and method for additive manufacturing structures of the hypersonic vehicle under extremely high temperature environment. The main contents of this project include: Investigating the parametric description methods of the multi-scale (including the microscopic, mesoscopic and macroscopic scales) hierarchical structural configurations and the corresponding multi-material distributions, as well as the mathematical models to descript the constraints of the additive manufacturing process; Establishing the design methods of additive manufacturing hierarchical structures with multi-material/gradient material to provide a theoretical basis for the multi-function design; Investigating the multi-function (heat-shielding, load-bearing, etc.) collaborative design theories and methods of functionally-driven additive manufacturing structures, which include multi-mechanism synergistic thermal protection structure with active cooling, multi-scale multi-functional structure for active cooling and load-bearing, multi-thermal insulation mechanism coupled heat-shielding and load-bearing multi-functional structure, etc. The relevant work can provide the theoretical basis for the key technology of structural design of hypersonic vehicles.

增材制造能够实现多材料、多个尺度层级高度复杂结构的制造，能够保证通过调整材料组分或微结构形式及其随空间的分布实现材料“按需分配”的设计方案的可制造性，从而极大地释放了创新设计空间。基于增材制造的超强制造能力，本项目针对高超音速飞行器对轻量化、结构承载、防热等多功能超高的要求，研究建立增材制造结构的多功能协同设计理论和方法。研究内容包括：研究含微观/细观/宏观多尺度的层级结构构型和材料分布的参数化描述方法、增材制造工艺约束表征的数学模型，建立考虑可制造性的多材料/梯度材料层级结构构型设计方法，为结构功能设计提供理论基础；针对不同工作环境，研究建立功能驱动的增材制造结构多功能（承载、防热等）协同的设计理论和方法，包括含主动冷却的多机制协同防热结构、多尺度主动冷却-承载多功能结构以及多防热机制耦合的隔热-承载多功能结构等的设计方法。该研究为突破高超音速飞行器结构设计的关键技术提供理论基础。

本项目针对高超音速飞行器高效承载、热防护等多功能和苛刻轻量化的要求，基于增材制造技术提供的巨大创新设计空间，将具有超强设计能力的拓扑优化技术与具有强大制备能力的增材制造技术结合，研究建立了基于增材制造的结构多功能协同设计理论和方法，并面向高超声速飞行器典型部件创新设计的具体需求，提出了多种典型结构的创新设计方案，很好地完成了规划的研究任务。在设计理论与方法方面，建立了考虑微单胞连接性与工艺可实现性的增材制造结构拓扑优化设计方法，解决了单胞的可连接性、构件的最小尺寸控制以及封闭空腔内多孔结构的自支撑等问题；构建了多种梯度点阵多层级结构的拓扑优化设计方法，能够实现具有准周期特征以及不同单胞拓扑构成的梯度双层级设计以及三层级结构设计，从而使得材料的按需设计，最大程度提升结构承载效率；针对高超声速飞行器不同的防热设计要求和特点，发展了包括基于相变材料的热防护结构、主动冷却-承载多功能结构以及隔热-承载一体化热防护结构等不同机制下的防热增强设计方法，建立了包括零膨胀热防护面板、声学超材料以及可变体结构柔性蒙皮等超材料和超结构的设计方法。在创新构型设计方面，针对高马赫数高超声速飞行器舵面的热防护实际需求，提出了基于热管热疏导结构布局的优化设计方案和基于蒸腾热防护的优化设计方案；针对超燃发动机一体化主动冷却的设计需求，提出了两阶段流道的设计方案；针对高超声速飞机发动机周围、尾喷管附近高温条件下的减振降噪问题，构建了亚波长多级蜂窝穿孔板结构设计方法，提出了两个具有优质吸声性能的亚波长多级蜂窝结构设计方案。项目取得的成果具有原始创新性并达到国际先进水平。在结构优化领域SMO，计算力学领域CMAME以及增材制造领域Additive Manufacturing等行业权威顶刊发表SCI学术论文78篇，授权发明专利18项。相关成果获教育部科技进步一等奖1项。项目负责人刘书田教授获得亚洲多学科优化会议（ASSMO）的Fellow Award奖，受邀在亚洲结构与多学科优化国际会议、第三届4D打印技术论坛等具有重要影响力的会议上做大会邀请报告。多次组织及参与组织国内外学术会议。包括第一届增材制造与创新设计论坛（2020）、第六届全国复合材料力学与工程研讨会（2022）等。培养博士研究生10人，硕士研究生37人。

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