航空航天高性能构件长期服役于极端环境，传统的结构参数优化方法难以突破既有设计框架。拓扑优化为构件实现超强承载、极端耐热、超轻量化与高可靠性提供了新的可能，而先进增材制造的发展则为拓扑优化结果的实体制造提供了途径，并突破了材料与结构耦合一体化制造的瓶颈。在此背景下，IDEAL团队围绕多材料拓扑优化、制造约束建模与智能拓扑优化设计等关键问题持续攻关，取得系列创新成果，并依托自主研制的LV650C五轴增减材复合机床，率先实现了多材料结构的设计—制造一体化应用验证。其中包括由博士生黄晓梅参与完成的以下三项工作：
1. 基于ordered EAMP二次罚函数的惯性载荷多材料拓扑优化
提出基于ordered EAMP与二次惩罚函数的多材料拓扑优化方法，针对自重、离心力等惯性载荷的耦合效应，增强材料连续性与聚集性，降低切换频率，提升增材制造可行性。通过悬臂梁与涡轮盘算例验证了方法的有效性。相关成果发表在Journal of Engineering Design期刊（JCR, Q1）。
Huang X, Chen Y, Hou L, Wu X, Yan H, Li Y, et al. Multi-material topology optimisation with design-dependent loads using the ordered EAMP quadratic penalty method. Journal of Engineering Design, 2025: 1–28. https://doi.org/10.1080/09544828.2025.2504851
图1 基于ordered EAMP与二次惩罚函数的多材料拓扑优化方法
图2 考虑自重和离心力的多材料涡轮盘算例
2. 考虑梯度界面的应力最小化多材料结构拓扑优化方法
针对航空航天部件高强度需求，提出考虑梯度界面的应力最小化多材料拓扑优化方法，基于ordered SIMP模型与分段Heaviside投影构建多梯度材料插值模型。算例表明，该设计有效降低界面区域应力，显著提升结构强度。相关成果发表在Composite Structures（JCR, Q1）。
图3 考虑梯度界面的应力最小化多材料拓扑优化方法
图4 具有梯度界面的多材料涡轮盘算例
Huang X, Chen Y, Hou L, Miao C, Li Y. Stress-related multi-material structures topology optimization with gradient interfaces. Composite Structures, 2025; 365: 119176. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2025.119176
3. 基于条件生成对抗网络的应力最小化拓扑优化
针对应力驱动拓扑优化计算量大、效率低的问题，提出结合条件生成对抗网络与残差U-Net的高效应力最小化方法，实现设计变量到拓扑结构的端到端映射。引入SIMP首迭代应力场作为物理先验，在显著降低计算时间的同时，得到与传统优化相近的结果，验证了深度学习在拓扑优化中的可行性。相关成果发表在International Journal of Mechanics and Materials in Design（JCR, Q1）。
图5 基于ResUNet-cGAN模型的拓扑优化方法
Huang X, Li S, Miao C, Hou L, Chen Y. Generative adversarial network for stress-minimizing topology optimization. International Journal of Mechanics and Materials in Design , 2025. https://doi.org/10.1007/s10999-025-09811-2
以上研究得到福建省自然科学基金(2024J01049)、厦门市自然科学基金(3502Z202372004)、国家自然科学基金面上项目(51975495)、辊切模具智能化关键技术研发及产业化项目(2023L3042)、福建省制造业可持续发展战略与技术高校重点实验室等支持。
