1 广西大学省部共建特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室，广西 南宁 530004
2 广西大学机械工程学院激光智能制造与精密加工研究所，广西 南宁 530004
增材制造（AM）的零件若存在悬垂部件，则往往需要添加额外的支撑结构，这不仅会影响打印效率，而且拆除支撑也会引发新的问题。结构自支撑设计能使增材制造摆脱对支撑结构的依赖，现已成为国内外的研究热点。本文首先总结了增材制造结构自支撑设计的原理，接着综述了增材制造零件整体结构自支撑设计的研究进展以及增材制造填充结构自支撑设计的研究进展。其中，根据不同的结构优化方式，将增材制造零件整体结构自支撑设计进一步划分为基于连续体结构拓扑优化、离散结构拓扑优化和形状优化的结构自支撑设计，并分析了各类优化方法的优缺点。最后，讨论了提升计算效率以及提升结构性能的解决方案，并对未来的应用场景以及未来的研究重点进行了展望。
增材制造 结构优化 拓扑优化 填充结构 结构自支撑 中国激光
2024, 51(10): 1002307
强激光与粒子束
2024, 36(1): 014001
1 华侨大学机电及自动化学院，福建 厦门 361021
2 华侨大学制造工程研究院，福建 厦门 361021
点阵结构具有优异的抗压性能和吸能性能，被广泛应用于生物医疗、车辆工程和航空航天等领域。采用拓扑优化设计和激光选区熔化成形技术(SLM)，制备一系列等密度和梯度点阵结构，研究其表面形貌、抗压形变行为和吸能性能。研究结果表明，SLM技术具备成形微小结构的能力，可制备出相对密度大于0.20的点阵结构；等密度点阵结构的抗压形变机制为整体发生弹性屈曲，进而实现致密化，而梯度点阵结构的抗压形变机制为逐层发生形变压实，达到致密化；点阵结构的能量吸收能力值与相对密度成正比，与结构类型无关；能量吸收效率受结构的密度分布影响，梯度点阵结构具有更高的能量吸收效率。
激光选区熔化 拓扑优化 梯度点阵结构 316L不锈钢 压缩行为 吸能性能 selective laser melting topology optimization functionally grade lattice structures 316L steel stainless compressive behavior absorption ability
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
电渗是当前芯片实验室设备中微流体常用的驱动方式之一，其中电极版图对控制电渗驱动的外电场起到关键作用。针对电渗流电极版图大多基于尺寸优化和形状优化的方法难以大幅提升微流控器件性能的问题，建立电渗流电极拓扑优化模型，采用滤波方程和阈值投影控制电极结构的特征尺寸，通过连续伴随分析方法获得模型的伴随敏度，进而演化电极版图的结构设计变量，最终实现电渗流电极的拓扑优化。基于上述拓扑优化方法设计电渗流微混合器的电极版图，并对影响微混合器混合效果的因素进行分析。结果表明，电渗流微混合器的混合评价指数达到0.047，能够实现两种不同浓度溶液的完全混合。微混合器良好的混合性能验证了本文提出电渗流电极拓扑优化方法的有效性。
微流体 拓扑优化 电渗 微混合器 电极 microfludics topology optimization electroosmosis micromixer electrodes 光学 精密工程
2023, 31(17): 2515
山东科技大学海洋科学与工程学院，山东 青岛 266590
激光雷达的光路设计会直接影响回波信号在透射或反射过程中的衰减情况，进而影响雷达的性能。为了提高激光雷达光路整体结构的紧凑性，减小重量并保证刚度与强度，在设计过程中对激光雷达光路结构进行拓扑参数优化设计。通过定义激光发射模块和光学接收模块的设计域、设计载荷、约束和边界条件，采用固体各向同性材料惩罚（SIMP）插值法建立模型，求解分析光路结构函数和灵敏度，使用序列二次规划（SQP）优化算法进行光路设计变量的迭代更新，从而提高光路整体结构的稳定性，达到性能优化、结构紧凑的目标。
光学设计 激光雷达 光路结构 拓扑优化 固体各向同性材料惩罚模型 迭代 中国激光
2023, 50(19): 1910002
1 南京大学 集成电路学院，苏州 215163
2 南京大学 电子科学与工程学院，南京 210093
3 西北大学 化学与材料科学学院，西安 710069
4 四川大学 物理学院，成都 610065
5 中山大学 微电子科学与技术学院，珠海 519082
6 西安交通大学 电子科学与工程学院，西安 710049
7 南京大学 现代工程与应用科学学院，南京 210093
人工设计的光子学器件在现代光学的各个领域都有广阔的应用前景。传统光子学器件的设计通常是基于已知的物理模型，然后通过数值模拟方法对结构进行优化设计。由于器件结构很大程度上依赖于先验模型，所以传统优化设计的自由度是有限的。随着近年来对高性能光子学器件需求的日益增长，具有更高设计自由度的逆向设计方法得到了快速发展。逆向设计方法打破了传统方法的设计局限性，可以在全参数空间中实现高效的参数优化，因此更可能得到具有极限性能的器件结构。本文总结了光子学器件逆向设计的常用方法，并给出了逆向设计在各个光子学领域中的具体应用。随着计算机科学的不断发展，逆向设计方法展现出无与伦比的潜力，有望在各个光学领域中实现更高自由度的光场调控。
遗传算法 梯度下降算法 拓扑优化 神经网络 纳米光子学 Genetic algorithm Gradient descent algorithm Topology optimization Neural network Nanophotonics
伴随巡飞弹这一新型**系统的快速发展，巡飞弹载光电载荷设计过程中关于小型化、轻量化、抗过载等多种要求的设计矛盾日益突出。为解决巡飞弹载光电系统小型化轻量化前提下的高效承载问题，建立了一种基于拓扑优化的巡飞弹载光电关键结构设计方法。该方法以结构低阶模态频率和过载工况下的结构柔顺度为设计约束，以质量最小为目标，建立了基于变密度法的拓扑优化设计模型，进而利用Altair HyperWorks软件求解得到关键结构的拓扑布局方案，之后综合弹载光电系统功能要求和零件加工工艺等要求，利用UG软件对拓扑优化结果进行几何模型重构并开展校核分析，最终完成关键结构的优化设计方案。在应用算例中，首先对某巡飞弹载光电关键结构零件光具座的经验设计方案进行了分析，然后利用该拓扑优化设计方法，在主要力学性能保持不变甚至部分性能有所提升的前提下，将该光具座结构成功减重22.4%，有效提高了该巡飞弹载光电系统的轻量化水平和结构承载效能，满足了系统设计要求，同时也表明了该优化设计方法的有效性和实用性,具有良好的推广性。
拓扑优化 巡飞弹 光电系统 光具座 topology optimization loitering munition electro-optic systems optical bench 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220767
1 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
2 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035
结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的，在符合结构材料力学特性的前提下，实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂，传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造，极大地拓宽了设计空间。综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展，从优化拓扑算法的角度，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施；从金属增材制造约束的角度，总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法，并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。
激光技术 拓扑优化 金属增材制造 拓扑算法 增材制造约束 中国激光
2023, 50(12): 1202301
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
为了满足大口径望远镜中间体高刚度、低惯量的技术需求，开展了中间体的轻量化设计，同时针对传统方法无法检测中间体形位公差的问题，提出基于自准直仪和激光跟踪仪的光学检测方法。根据望远镜整体结构需求，确定中间体尺寸范围，分析力的传递路径，以应变能最小为优化目标，采用变密度法进行拓扑优化分析和结构设计。基于自准直仪测角原理，在中间体轴孔端面吸附平面反射镜，测量两端面的反射角度，实现两侧轴孔端面平行度误差的测量，基于激光跟踪仪空间点坐标测量原理，利用回转工装寻找中间体轴孔圆心，测量两侧轴孔的圆心坐标，实现同轴度误差的测量。与传统经验设计的中间体相比，以拓扑优化为指导设计的中间体质量减少21.5%，静态刚度提高14.3%。光学法检测中间体两侧轴孔端面平行度误差为0.016 mm，两侧轴孔圆心位置偏差为0.03 mm。采用拓扑优化设计的中间体在提高刚度、降低惯量方面优势明显，提出的光学检测法可实现中间体形位公差的检测。
大口径望远镜 轻量化 拓扑优化 形位公差检测 large-aperture telescope lightweight design topology optimization geometrical tolerance detection 光学 精密工程
2022, 30(23): 3039
