奖 种：国家自然科学奖
项目名称：复杂结构系统的优化设计理论与切削成形机理
主要完成单位：西北工业大学
主要完成人：张卫红（西北工业大学）、万敏（西北工业大学）、朱继宏（西北工业大学）、高彤（西北工业大学）、邱克鹏（西北工业大学）
项目简介：
本项目属于机械工程、飞行器设计与制造学科前沿研究领域与挑战性课题，着重从结构、性能、工艺三个核心层面研究了复杂结构系统的优化设计与切削成形，取得的系统性成果发展了轻量化结构先进设计理论体系、揭示了制造过程复杂机理、提升了飞行器结构性能研制水平、具有重要的学术与工程应用价值。本项目自1999起得到教育部长江学者奖励计划、国家自然科学基金、863计划、973课题等项目的支持，成果的主要发现点为：
1、建立了结构创新构型设计的拓扑优化统一模型。突破传统均匀化理论，提出了从复杂结构宏观布局到微结构优化设计的两级分解统一模型、关键算法与消除材料病态分布的约束机理，全面揭示了微结构尺寸效应及其对优化构型的影响规律。
2、发展了结构性能设计的多目标优化新理论。突破传统理论框架，系统地提出了优化解集灵敏度分析、可微性数学判据、设计约束刷新准则、权重非唯一性取值与多目标优化自适应求解等关键理论与模型，定量地揭示了结构轻量化与刚度、强度等性能设计间的复杂制约机理，澄清了以往对多目标优化问题本质的模糊认识。
3、提出了结构系统复杂设计问题的优化新方法。完善了从拓扑优化概念设计到尺寸、形状详细设计体系的结构优化理论，建立的结构宏观构型材料布局双向演变新策略、有效材料用量约束条件以及材料删除模型，解决了结构形状、尺寸混合变量渐进优化、载荷设计相关性拓扑优化、局部模态和传力路径奇异等设计难题。
4、建立了切削成形过程的物理仿真模型。全面阐明了从切削力到加工表面形貌的建模仿真机理，构造出切削加工表面形貌仿真直接算法，发现了切削力的可分解原理，由此建立了切削力模型的一次性实验高效标定方法。
5、揭示了切削参数对切削变形与颤振稳定性的影响规律。突破了以往模型假设的片面性，从切削系统整体角度建立了从切削变形静态误差预测到多延时动力学颤振稳定性分析的通用模型，应用优化理论与实验结果阐明了工艺参数对加工质量与加工效率的影响规律。
研究成果产生了突出的国际学术影响。发表SCI学术期刊论文92篇，出版中英文著作各一部，获44个国家的学者引用。20篇主要论文包括权威期刊IJNME、IJMTM、CMAME、IJSS等获SCI他引121次、得到27个国家（美、德、英等）、60余所科研机构（慕尼黑工业大学、伊利诺伊斯大学、曼彻斯特大学）、170余位学者（含国内外6位院士）的积极评价。同时，形成了一支在国际上有重要影响力的研究团队。获国家杰出青年基金，担任包括SMO多学科优化三种国际期刊主编或编委，引进首批外专千人上岗，联合主办国际会议10次，担任CJK-OSM、WCCM、WCSMO等重要国内外会议组委会、分会主席40余次，作主题报告30余次。国内外著名学者对本项目的评价为“具有重要的理论意义和工程应用价值”、“具有国际领先水平(clearly an international leader)”。
获国家发明专利20项、软件著作权16项，形成的核心技术解决了航空航天复杂结构系统研制中的大量难题，极大地提升了学科与工程应用水平，相关成果曾获陕西省科技一等奖一项、二等奖两项，具有重大科学意义。
“代表性论文专著目录”8篇
1) W.H. Zhang, S.P. Sun, Scale-related topology optimization of cellular materials and structures, Int J Numer Meth Eng 68(9), 993-1011 (2006)
2) M. Wan, W.H. Zhang, G.H. Qin, G. Tan, Efficient calibration of instantaneous cutting force coefficients and runout parameters for general end mills, Int J Mach Tool Manu 47(11), 1767-1776 (2007)
3) M. Wan, W.H. Zhang, J.W. Dang, Y. Yang, A unified stability prediction method for milling process with multiple delays, Int J Mach Tool Manu 50(1), 29-41 (2010)
4) G.M. Dai, W.H. Zhang, Size effects of basic cell in static analysis of sandwich beams, Int J Solids Struct 45(9), 2512-2533 (2008)
5) W.H. Zhang, On the Pareto optimum sensitivity analysis in multicriteria optimization, Int J Numer Meth Eng 58(6), 955-977 (2003)
6) J.H. Zhu, W.H. Zhang, K.P. Qiu, Bi-directional evolutionary topology optimization using element replaceable method, Comput Mech 40(1), 97-109 (2007)
7) W.H. Zhang, T. Gao, A min-max method with adaptive weightings for uniformly spaced Pareto optimum points, Comput Struct 84(28), 1760-1769 (2006)
8) T. Gao, W.H. Zhang, K.P. Qiu, M. Wan, Numerical simulation of machined surface topography and roughness in milling process, J Manuf Sci E-T ASME 128(1), 96-103 (2006)
“主要论文专著目录”20篇
1) W.H. Zhang, S.P. Sun, Scale-related topology optimization of cellular materials and structures, Int J Numer Meth Eng 68(9), 993-1011 (2006)
2) M. Wan, W.H. Zhang, G.H. Qin, G. Tan, Efficient calibration of instantaneous cutting force coefficients and runout parameters for general end mills, Int J Mach Tool Manu 47(11), 1767-1776 (2007)
3) M. Wan, W.H. Zhang, J.W. Dang, Y. Yang, A unified stability prediction method for milling process with multiple delays, Int J Mach Tool Manu 50(1), 29-41 (2010)
4) G.M. Dai, W.H. Zhang, Size effects of basic cell in static analysis of sandwich beams, Int J Solids Struct 45(9), 2512-2533 (2008)
5) W.H. Zhang, On the Pareto optimum sensitivity analysis in multicriteria optimization, Int J Numer Meth Eng 58(6), 955-977 (2003)
6) J.H. Zhu, W.H. Zhang, K.P. Qiu, Bi-directional evolutionary topology optimization using element replaceable method, Comput Mech 40(1), 97-109 (2007)
7) W.H. Zhang, T. Gao, A min-max method with adaptive weightings for uniformly spaced Pareto optimum points, Comput Struct 84(28), 1760-1769 (2006)
8) T. Gao, W.H. Zhang, K.P. Qiu, M. Wan, Numerical simulation of machined surface topography and roughness in milling process, J Manuf Sci E-T ASME 128(1), 96-103 (2006)
9) W.H. Zhang, H.C. Yang, A study of the weighting method for a certain type of multicriteria optimization problem, Comput Struct 79(31), 2741-2749 (2001)
10) W.H. Zhang, H.C. Yang, Efficient gradient calculation of the Pareto optimal curve in multicriteria optimization, Struct Multidiscip O 23(4), 311-319 (2002)
11) W.H. Zhang, P. Duysinx, Dual approach using a variant perimeter constraint and efficient sub-iteration scheme for topology optimization, Comput Struct 81(22-23), 2173-2181 (2003)
12) T. Gao, W.H. Zhang, J.H. Zhu, Y.J. Xu, D.H. Bassir, Topology optimization of heat conduction problem involving design-dependent heat load effect, Finite Elem Anal Des 44(14), 805-813 (2008)
13) J.H. Zhu, W.H. Zhang, Maximization of structural natural frequency with optimal support layout, Struct Multidiscip O 31(6), 462-469 (2006)
14) D. Wang, W.H. Zhang, J.S. Jiang, Truss shape optimization with multiple displacement constraints, Comput Method Appl M 191(33), 3597-3612 (2002)
15) D. Wang, W.H. Zhang, J.S. Jiang, Truss optimization on shape and sizing with frequency constraints, Aiaa J 42(3), 622-630 (2004)
16) D. Wang, W.H. Zhang, J.S. Jiang, Combined shape and sizing optimization of truss structures, Comput Mech 29(4-5), 307-312 (2002)
17) D. Wang, J.S. Jiang, W.H. Zhang, Optimization of support positions to maximize the fundamental frequency of structures, Int J Numer Meth Eng 61(10), 1584-1602 (2004)
18) M. Wan, W.H. Zhang, G.H. Qin, Z.P. Wang, Strategies for error prediction and error control in peripheral milling of thin-walled workpiece, Int J Mach Tool Manu 48(12-13), 1366-1374 (2008)
19) G.H. Qin, W.H. Zhang, M. Wan, A mathematical approach to analysis and optimal design of a fixture locating scheme, Int J Adv Manuf Tech 29(3-4), 349-359 (2006)
20) 万敏，张卫红，薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究，航空学报，2005年第26卷第5期，598-603页
|
