專刊策劃 增材制造材料與結構創新設計

傳統結構設計大多面向力學性能優化，在保證力學性能的同時實現輕量化目的，達到節能降耗的效果，被廣泛應用于航空航天、汽車等領域。然而，高端裝備對多功能構件的設計要求越來越高，僅考慮力學性能與輕量化耦合設計已難以滿足多功能構件的需求，基于多物理場耦合的多功能結構設計與基于環境激勵響應的智能結構設計逐漸發展起來。多功能與智能構件結構往往極端復雜，傳統成形技術很難實現。

增材制造技術以逐層逐點成形的特點，在成形復雜結構上具有顯著的優勢，然而，增材制造技術也有成形局限性，目前面向增材制造的拓撲優化設計考慮的約束僅有宏觀約束，包括支撐形式、表面粗糙度和制造精度，并未考慮增材制造過程中的微觀約束，如組織各向異性、晶粒尺寸大小和殘余應力分布等，導致較多力學拓撲結構雖然具有較好的理論性能，但是成形構件的實際性能較差。未來的設計趨勢應將增材制造材料微觀組織引入結構拓撲設計，實現微觀組織可控和宏觀結構約束的多尺度拓撲設計。

為滿足高端裝備對構件多功能的需求，基于多物理場耦合的多功能結構設計和智能構件成為新的發展趨勢。以某種目標功能為導向，基于熱/固、流/固、磁/固等多物理場的耦合特性，通過結構設計，實現自然材料不存在或者難以實現的功能，如電磁/聲波/熱隱身、零/負泊松比等，這類超材料在航空航海、生物醫療、通信工程和軍工等領域均有廣闊的應用前景。……