答辯博士：李大偉

指導教師：廖文和教授

論文題目：晶格材料功能梯度設計與多尺度優化關鍵技術研究

答辯委員會：

主席：倪中華  教授       東南大學

委員：趙啟林  教授       南京工業大學

            廖文和  教授       ag真人百家家乐平台

            劉婷婷  教授       南京理工大學

            郭    宇  教授       ag真人百家家乐平台

            李迎光  教授       ag真人百家家乐平台

            田    威  教授       ag真人百家家乐平台

秘書：戴    甯  教授       ag真人百家家乐平台

時間：2019年12月14日15:00

地點：南航明故宮校區15号樓425會議室

學位論文簡介：

晶格材料設計與優化技術是面向增材制造設計（Design for Additive Manufacturing, DfAM）最重要的組成部分。增材制造的功能梯度晶格材料可以獲得輕量化、多功能和高性能的新穎結構，在航空航天、國防裝備、汽車、醫療等領域具有重要的工程應用價值。因此，晶格材料的設計與優化成為了工業數字化設計領域的熱點研究方向。目前，晶格材料設計與優化在幾何建模、性能分析、優化設計以及新穎優化理論方面都處于發展階段，存在着一些關鍵問題亟待解決，如無法快速評估晶格材料性能、變密度不連續、未考慮各向異性等，限制了晶格材料真實性能的發揮。本文從晶格材料幾何建模、等效性能預測以及功能梯度優化方法存在的問題出發，根據航空航天領域在面向晶格材料增材制造的高效設計與高性能優化的需求，發現和解決了一系列關鍵技術問題。

論文主要完成的工作及取得的成果如下：

（1）研究基于隐式建模的晶格材料設計技術，建立了晶格材料“幾何建模黑盒”工具，能夠快速地将晶格拓撲形狀或數學模型轉為具有實際物理意義的晶格材料。提出了基于均勻化理論的晶格材料等效性能預測方法，建立了晶格材料“等效性能黑盒”工具，能夠高效準确的計算任意類型晶格材料的等效彈性張量和等效熱傳導系數張量。最後，建立了晶格材料等效性能驅動的多尺度分析方法，并通過實驗驗證了其有效性。

（2）受“自然場”啟發，提出了“物理場”驅動的梯度晶格材料“幾何場”創成式設計方法，建立了“場”建模理論。首先，提出了變密度晶格材料幾何連續性優化方法，可實現同質或異質晶格材料光滑連接。然後，建立了物理場驅動的梯度晶格材料創成式設計，并對設計參數進行讨論分析。最後，建立了能量吸收驅動的梯度晶格材料創成式設計，并通過樣本模型進行實驗分析來驗證系統的可靠性。

（3）将宏觀尺度的拓撲優化方法引入到零部件微觀尺度的晶格材料分布優化設計中，并結合微觀尺度晶格材料等效性能，提出了一種晶格材料等效性能驅動的多尺度拓撲優化方法。實現宏微觀一體化的變密度晶格材料優化設計。可以根據實際載荷工況獲得特定類型晶格材料的最優分布，使得零件整體性能最優。

（4）最後，本文受自然界的啟發，提出了一種新的梯度晶格材料多尺度拓撲優化算法來合成空間共形梯度晶格結構。可以同時實現晶格材料在設計空間變密度、變方向和變尺度（周期）的精确控制與多尺度拓撲優化。并且對優化算法中涉及到的設計變量進行數值分析和應用案例讨論。

主要創新點如下：

（1）建立了晶格材料幾何建模與等效性能預測方法，并提出了晶格材料等效性能驅動的多尺度分析方法，解決了全尺寸晶格材料有限元分析效率低的難題。

（2）受“自然場”啟發，提出了“物理場”驅動的梯度晶格材料“幾何場”創成式設計方法，解決了變密度晶格材料幾何連續性問題與幾何數據集生成方法。

（3）提出了一種晶格材料等效性能驅動的多尺度拓撲優化方法，實現宏微觀一體化的變密度晶格材料優化設計。

（4）提出了一種梯度晶格材料優化算法來合成空間共形梯度晶格結構，可以實現晶格材料在設計空間變密度、變方向和變尺度的精确控制與多尺度拓撲優化。