北理工先进结构技术研究院3D打印优化多尺度结构设计

在科技蓬勃发展的当下，结构设计创新成为众多领域迈向新高度的关键钥匙。北京理工大学陶然副教授科研团队成功解锁这把关键钥匙，其研究成果 “CFGLSs: conformal filling gradient lattice structures designed by multiscale isogeometric topology optimization for 3D swept volume” 荣登力学旗舰期刊 CMAME，为结构设计领域带来颠覆性突破，尤其在工程轻量化应用方面展现出卓越优势。

增材制造技术蓬勃兴起，3D 扫描体蕴含的轻量化与功能优化潜力巨大，然而，适配的共形填充梯度晶格结构（CFGLSs）设计难题却如巨石般横亘在学界与产业界面前。北理工团队凭借深厚的科研实力，创新性提出改良的水平集函数（MLSF），结合多尺度等几何拓扑优化（MITO）方法，成功攻克这一难题。通过构建替代本构模型并融入 MITO，精确获取扫描体相对密度分布，生成连续的 CFGLSs。这项研究在航空航天、汽车制造、生物医疗等多个领域展现出巨大的应用潜力。该成果不仅获得了学术界的高度认可，更为工程实践中的轻量化设计提供了全新的解决方案。

在实际工程应用场景中，轻量化优势成为该方法的一大 “撒手锏”。以航空航天领域为例，飞行器对重量极为敏感，重量的减轻能直接转化为性能的提升，每减轻1公斤重量都可能带来显著的经济效益和性能提升。利用该团队的设计方法，可根据飞行器部件的受力特点，精准地在关键部位布置高密度晶格，而在次要承载区域采用低密度晶格，在保证结构强度和刚度的前提下，最大程度地减轻部件重量。比如在设计飞机机翼时，通过优化晶格结构分布，使机翼在承受巨大空气动力的同时，重量显著降低，进而提高飞机的燃油效率，增加航程，提升机动性。

再看汽车制造行业，车辆的轻量化能够有效降低能耗，减少尾气排放。采用 CFGLSs设计的汽车零部件，如发动机支架、底盘结构件等，在不影响其力学性能的基础上，实现轻量化目标。发动机支架通过合理的晶格设计，既能够稳定支撑发动机，又减轻了自身重量，有助于提升汽车的操控性能和加速性能

在实验验证环节，该方法的轻量化优势也展现得淋漓尽致。在半圆形试样实验中，CFGLSs 结构的半圆形试样（CFGLSs-SC）相比传统正交填充均匀晶格结构，不仅应变分布更均匀，有效降低局部屈曲风险，提高结构稳定性，而且在实现相同力学性能的情况下，重量更轻。在三点弯曲测试中，CFGLSs-SC 的负载 - 位移曲线斜率更高，极限强度提升 18.7%，弯曲模量和极限负载更优，这意味着在实际应用中可以使用更少的材料达到更好的效果，直接推动了轻量化进程。

对于工程舵结构而言，团队设计的 CFGLSs 让高密度晶格集中在主要承载区域，形成高效承载路径，在大幅提高结构整体刚度和强度的同时，实现了结构的轻量化。在与传统正交填充均匀晶格结构（OFULSs-R）的对比实验中，CFGLSs 的舵结构（CFGLSs-R）极限负载更高、初始刚度更强，位移减少约 28.7%。这不仅有效降低了局部屈曲风险，提高了舵板的可靠性和使用寿命，而且由于重量减轻，在船舶、飞行器等应用场景中，能够减少能源消耗，提升整体运行效率。

该研究成果意义重大，不仅为 3D 扫描体的结构设计提供了创新方法，还在航空航天、生物医学等众多领域具有广阔的应用前景。它可以帮助设计出更轻量化、高性能的飞行器部件，提高飞行器的机动性和效率；在生物医学领域，有助于开发更贴合人体的植入物，提升医疗效果。未来，该方法有望在以下方面取得更大突破：

1.多尺度高效计算：数据驱动无本构模型的高效多尺度计算方法，绕过了传统本构模型的限制，大幅提升了计算效率

2.多物理场耦合优化设计：拓展到热-力-液等多物理场多尺度耦合优化，满足航空航天等领域对多功能一体化结构的需求。

3.制造工艺创新：结合新型增材制造技术，实现更复杂、更精细的梯度晶格结构制造。

北京理工大学先进结构技术研究院陶然副教授课题组长期致力于先进结构设计与制造技术研究，现招收力学、增材制造、复合材料等方向的博士后研究人员。

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