专刊策划 增材制造材料与结构创新设计

传统结构设计大多面向力学性能优化，在保证力学性能的同时实现轻量化目的，达到节能降耗的效果，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而，高端装备对多功能构件的设计要求越来越高，仅考虑力学性能与轻量化耦合设计已难以满足多功能构件的需求，基于多物理场耦合的多功能结构设计与基于环境激励响应的智能结构设计逐渐发展起来。多功能与智能构件结构往往极端复杂，传统成形技术很难实现。

增材制造技术以逐层逐点成形的特点，在成形复杂结构上具有显著的优势，然而，增材制造技术也有成形局限性，目前面向增材制造的拓扑优化设计考虑的约束仅有宏观约束，包括支撑形式、表面粗糙度和制造精度，并未考虑增材制造过程中的微观约束，如组织各向异性、晶粒尺寸大小和残余应力分布等，导致较多力学拓扑结构虽然具有较好的理论性能，但是成形构件的实际性能较差。未来的设计趋势应将增材制造材料微观组织引入结构拓扑设计，实现微观组织可控和宏观结构约束的多尺度拓扑设计。

为满足高端装备对构件多功能的需求，基于多物理场耦合的多功能结构设计和智能构件成为新的发展趋势。以某种目标功能为导向，基于热/固、流/固、磁/固等多物理场的耦合特性，通过结构设计，实现自然材料不存在或者难以实现的功能，如电磁/声波/热隐身、零/负泊松比等，这类超材料在航空航海、生物医疗、通信工程和军工等领域均有广阔的应用前景。智能结构能够在外界物理场（热场、磁场、压力场等）的刺激下按照预定模式进行形状或性能变化，在软体机器人、变体机翼等领域有着广阔的应用前景。但目前相关研究较少，缺乏一套行之有效的设计方法。

目前，国内外陆续开展了增材制造材料与结构创新设计相关研究，该主题是先进制造的重要发展方向之一，是智能制造不可分割的重要组成部分。受《航空制造技术》之邀，共同组织策划了“增材制造材料与结构创新设计”专刊，邀请了国内较早开展相关研究的团队，希望专刊的出版能够进一步推动增材制造与结构创新设计的融合发展。