答辩博士：李大伟

指导教师：廖文和教授

论文题目：晶格材料功能梯度设计与多尺度优化关键技术研究

答辩委员会：

主席：倪中华  教授       东南大学

委员：赵启林  教授       南京工业大学

            廖文和  教授       南京航空航天大学

            刘婷婷  教授       南京理工大学

            郭    宇  教授       南京航空航天大学

            李迎光  教授       南京航空航天大学

            田    威  教授       南京航空航天大学

秘书：戴    宁  教授       南京航空航天大学

时间：2019年12月14日15:00

地点：南航明故宫校区15号楼425会议室

学位论文简介：

晶格材料设计与优化技术是面向增材制造设计（Design for Additive Manufacturing, DfAM）最重要的组成部分。增材制造的功能梯度晶格材料可以获得轻量化、多功能和高性能的新颖结构，在航空航天、国防装备、汽车、医疗等领域具有重要的工程应用价值。因此，晶格材料的设计与优化成为了工业数字化设计领域的热点研究方向。目前，晶格材料设计与优化在几何建模、性能分析、优化设计以及新颖优化理论方面都处于发展阶段，存在着一些关键问题亟待解决，如无法快速评估晶格材料性能、变密度不连续、未考虑各向异性等，限制了晶格材料真实性能的发挥。本文从晶格材料几何建模、等效性能预测以及功能梯度优化方法存在的问题出发，根据航空航天领域在面向晶格材料增材制造的高效设计与高性能优化的需求，发现和解决了一系列关键技术问题。

论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设计技术，建立了晶格材料“几何建模黑盒”工具，能够快速地将晶格拓扑形状或数学模型转为具有实际物理意义的晶格材料。提出了基于均匀化理论的晶格材料等效性能预测方法，建立了晶格材料“等效性能黑盒”工具，能够高效准确的计算任意类型晶格材料的等效弹性张量和等效热传导系数张量。最后，建立了晶格材料等效性能驱动的多尺度分析方法，并通过实验验证了其有效性。

（2）受“自然场”启发，提出了“物理场”驱动的梯度晶格材料“几何场”创成式设计方法，建立了“场”建模理论。首先，提出了变密度晶格材料几何连续性优化方法，可实现同质或异质晶格材料光滑连接。然后，建立了物理场驱动的梯度晶格材料创成式设计，并对设计参数进行讨论分析。最后，建立了能量吸收驱动的梯度晶格材料创成式设计，并通过样本模型进行实验分析来验证系统的可靠性。

（3）将宏观尺度的拓扑优化方法引入到零部件微观尺度的晶格材料分布优化设计中，并结合微观尺度晶格材料等效性能，提出了一种晶格材料等效性能驱动的多尺度拓扑优化方法。实现宏微观一体化的变密度晶格材料优化设计。可以根据实际载荷工况获得特定类型晶格材料的最优分布，使得零件整体性能最优。

（4）最后，本文受自然界的启发，提出了一种新的梯度晶格材料多尺度拓扑优化算法来合成空间共形梯度晶格结构。可以同时实现晶格材料在设计空间变密度、变方向和变尺度（周期）的精确控制与多尺度拓扑优化。并且对优化算法中涉及到的设计变量进行数值分析和应用案例讨论。

主要创新点如下：

（1）建立了晶格材料几何建模与等效性能预测方法，并提出了晶格材料等效性能驱动的多尺度分析方法，解决了全尺寸晶格材料有限元分析效率低的难题。

（2）受“自然场”启发，提出了“物理场”驱动的梯度晶格材料“几何场”创成式设计方法，解决了变密度晶格材料几何连续性问题与几何数据集生成方法。

（3）提出了一种晶格材料等效性能驱动的多尺度拓扑优化方法，实现宏微观一体化的变密度晶格材料优化设计。

（4）提出了一种梯度晶格材料优化算法来合成空间共形梯度晶格结构，可以实现晶格材料在设计空间变密度、变方向和变尺度的精确控制与多尺度拓扑优化。