机械结构和系统优化设计科研团队

团队负责人：

丁晓红 工学博士，教授，博士生导师。金沙威尼斯欢乐娱人城机械设计系主任，机械工业数控机床优化技术重点实验室主任。长期从事机械结构和系统性能分析和优化的研究工作，以结构多学科综合优化为研究特色，特别在机械装备结构创新优化设计方法方面取得重要的研究成果。提出了基于自然界生物分支网形态形成机理的结构拓扑优化设计技术，形成了独创的设计方法，受到国内外学者的关注。研究成果已应用于机床、汽车零部件、矿山机械、港口装备等行业中，取得良好经济效益和社会效益。

团队代表性成果

1. 轻质仿生结构设计方法

基于自然界生物分支网形态形成机理的轻质仿生结构设计方法——自适应成长法（Adaptive Growth Method，AGM），融合了结构优化设计技术和仿生设计方法，可根据装备结构所受的载荷边界条件，使结构的加强构件从“种子”开始，沿着使结构最佳力学性能方向成长，从而形成最优材料分布形态。和经典的结构拓扑优化方法相比，自适应成长法能得到清晰的材料分布设计结果，无需后处理，便于结构的加工制造，且设计参数少，设计效率高，适用性广，研究成果获2016上海市技术发明二等奖。

（1）板壳结构加强筋分布设计技术

基于自适应成长法，以装备结构设计实际需求为基本出发点，针对复杂结构、复杂载荷工况，以静刚度、动态响应以及以抗屈曲为设计目标，对板壳结构加筋分布设计进行研究。研究结果为装备结构的正向设计提供技术支撑，设计目标、结构形状、载荷状态等因素对典型结构加强筋分布形态的影响研究对装备结构设计具有指导意义。

板壳结构加强筋分布设计技术

（2）高刚轻质抗振结构设计技术

结构抗振优化可从刚度和阻尼两个方面进行设计：一方面基于自适应成长法进行刚度设计，实现动态激励下加强筋布局优化设计；另一方面进行结构刚度和阻尼协同优化设计，考虑刚度相关的结构材料分布与阻尼相关的TMD/阻尼层分布的相互影响作用，进一步提升结构动力学性能，实现结构材料的高效利用。

高刚轻质抗振结构设计技术

（3）面向整机动力学性能的轻量化机床大件设计技术

将所提出的自适应成长法应用于沈阳机床立式加工中心的结构优化中。首先，提出面向机床整机动力学性能的结构优化策略，基于模态测试数据的动态灵敏度分析确定部件优化的次序，利用改进自适应成长法优化关键部件结构的加强筋分布。物理样机试验结果表明，优化后的机床整机在减重的情况下，一阶固有频率提升了22.5%。

面向整机动力学性能的轻量化机床大件设计技术

2. 材料-结构-性能一体化设计

基于均匀化法和拓扑优化理论，以结构的多功能设计要求为目标，寻求材料微结构和宏观分布协同设计方法，实现结构“材料-结构-功能”一体化设计，为功能结构的设计制造提供理论和技术支撑。

（1）先进阻尼复合结构的跨尺度拓扑优化设计及增材制造

基于复合材料力学和多尺度拓扑优化理论，寻求高刚度高阻尼复合材料/结构设计方法，建立阻尼复合结构“材料-结构-制造”多尺度拓扑优化设计方法，为复合结构的设计制造提供理论和技术支撑。

（2）生物可降解骨折内固定植入物的多尺度设计

基于生物化学、生物力学、计算力学与优化理论，研究具有时变刚度的可降解植入物的设计方法。首先研究降解-力学-骨愈合多物理场耦合建模方法，探索降解、结构刚度和骨愈合的耦合机制；其次建立骨愈合-结构刚度的拓扑优化设计数学模型，研究考虑降解过程的时变刚度结构优化设计方法。为时变刚度植入物设计提供新的解决方案，为骨折精准治疗提供理论和技术支撑。

生物可降解骨折内固定植入物的多尺度设计

3. 散热结构设计

基于仿生设计和结构拓扑优化技术，对高热流密度电子产品和机械装备的散热结构进行优化设计。

（1）高热流密度电子产品散热结构设计

拓扑优化宏观流道，将典型耐热型植物叶脉的独特构造作为微观流道，设计制造了宏微观双尺度均温板，实现高热流密度收集能力，用于航天航空领域高热流密度电子产品散热。

（2）机床功能部件热变形控制技术

机床电主轴分支脉状冷却套设计：基于流体拓扑优化方法对机床电主轴冷却套进行优化设计，获得分支脉状分布形态的散热通道，相比于螺旋槽结构散热器，分支脉状结构散热器整体温升较低，具有更好的表面温度分布均匀性，呈现出更加优良的散热性能，并且具有更优的压降特性。

热管滚珠丝杆设计：在滚珠丝杠内部植入热管形成一体化的热管滚珠丝杠，使之表面均温性优良，温度波动小，便于热误差补偿。

  4. 智能振动控制结构

针对机电装备结构的振动控制，应用干摩擦和时滞控制技术，研究变刚度变阻尼的非线性隔振智能结构，建立综合隔振方案。

（1）无谐振隔振技术

无谐振隔振技术是指当干扰频率变化到隔振系统的固有频率附近时使系统不发生共振，而当干扰频率离开谐振频域时又具有高效的隔振性能。基于干摩擦隔振原理，采用非线性刚度和干摩擦变阻尼技术，开发出无谐振隔振器，可同时解决隔振与缓冲问题。

  无谐振器实物图            无谐振隔振器隔振曲线

（2）金属橡胶成型及隔振应用技术

   金属橡胶Metal Rubber（MR）是一种均质的弹性多孔材料，由细金属丝经过缠绕、编制、模压而成，保持金属特性和外观，具备类似橡胶的弹性和阻尼特性，具有良好的隔振系统。通过对金属橡胶的力学特性和加工工艺研究，获得三向等刚度高阻尼金属橡胶结构，并已开发设计多款军用隔振产品，应用于车载、舰载、机载和弹载设备的隔振缓冲。

金属橡胶隔振器实物        金属橡胶隔振器三向隔振曲线

（3）智能结构振动控制技术

   应用干摩擦和时滞控制技术，研究具有高度集成化智能化的变刚度变阻尼的非线性振动控制智能结构的设计方法，开发设计的振动控制智能结构能感知其所受到的刺激，并通过控制器和致动器作出恰当的反应，快速抑制振动，使结构始终处于最佳工作状态。

5. 多功能仿生结构

（1）航天器翼/舵类零件仿生优化设计

以猫头鹰飞羽为仿生原型，将其超宽频、多方向减振降噪机制应用于航天器翼/舵类零件仿生优化设计。翼/舵类零件骨架材料采用点阵镂空结构模拟生物微观结构，骨架结构设计模拟飞羽多级分叉结构型式，建立了一种多尺度结构/材料一体化仿生阻尼抑振优化设计方法。

航天器翼/舵类零件仿生优化设计

（2）仿生湿敏元件光子晶体结构优化设计

利用耦合仿生理论和结构拓扑优化设计，根据视觉系统的高效反馈机能，以变色甲虫鞘翅为仿生原型，根据光子晶体结构可稳定高效精准实施湿敏变色响应的特性，提取鞘翅中的光子晶体结构并进行优化设计，获得可快速响应的光子晶体耦合仿生模型，进行多光子晶体结构的跨尺度融合匹配设计，实现复杂多变环境下湿敏元件的快速变色响应和精准监测。

湿敏变色甲虫鞘翅构色机制、耦合仿生模型及仿生湿敏元件