结构的轻量化不仅可以减少高精密复杂武器装备运行的能源消耗,而且可以为其带来更远的射程、更高的机动性以及更优越的动静态性能,是高精密复杂武器装备追求的关键指标。作为一种新型的轻质高强多功能结构,多胞填充结构可以在实现结构减重同时保持零件结构的力学性能,是一种实现高精密复杂武器装备轻量化设计的有效手段。针对传统均匀多胞结构设计时未考虑设计域内材料分布优化的不足,论文提出了一种面向激光增材制造的变密度多胞结构优化设计与建模方法。以多胞结构的胞元为设计单元,在多胞结构力学特性分析以及材料模型计算的前提下,融合激光增材制造技术研究制造工艺约束的建模与表达策略,实现胞元类型、胞元尺寸以及胞元杆件尺寸分布的优化设计,通过胞元的参数化循环定义与组装提高建模的自动化程度,实现变密度多胞结构的快速建模。主要内容如下:1、构建了多胞结构等效材料模型:根据结构的受载状况,综合分析不同类型多胞结构的几何特性以及力学性能,得到均匀多胞结构类型的优选排序。根据不同胞元类型的结构复杂程度,选择解析或者应变能等效的方法计算推导各胞元结构的等效弹性性能公式,通过对均匀多胞结构进行有限元分析,拟合系数,构建等效材料模型。基于有限元仿真方法分析设计域外形尺寸以及胞元尺寸对等效材料模型的影响,并且以伺服机构框架为例,对多胞填充的工程结构进行有限元分析,与伺服机构框架的等效实体模型分析结果进行对比,验证等效性能公式的有效性。2、建立了基于几何特征分析的多胞结构增材制造约束模型:根据激光增材制造工艺特点,分析可能存在的制造约束。针对特定的制造机器和工艺参数条件,通过设计并制造测试几何结构,进行制造约束数值测试。制造约束通过几何运算建模表示为优化设计变量的函数。根据制造约束建模结果得到不同胞元类型、不同胞元尺寸以及不同的制造约束数值条件下的多胞结构可制造密度范围,为变密度多胞结构设计中胞元类型和胞元尺寸的优选提供依据。3、构建了面向刚度性能的变密度多胞结构优化设计与自动化建模方法:基于等效材料模型,多胞结构等效为连续体结构,以制造约束作为拓扑优化的设计约束,建立等效连续体结构拓扑优化模型。基于有限元数值编码方法求解总体刚度矩阵与柔度矩阵,进行优化模型的灵敏度分析与优化求解。采用包络单元设计变量平均映射方法实现胞元结构杆件尺寸分布矩阵映射。基于Pro/Toolkit函数库进行Creo的二次开发,对于变密度蜂窝结构引入用户自定义胞元特征,对于变密度点阵结构编写点阵元件循环自动装配程序,实现变密度多胞结构的快速自动化建模。4、进行了变密度多胞结构力学性能的仿真与实验评估:定义单位体积比刚度作为结构力学性能评估方式,基于此进行各工况条件下的备选胞元类型与胞元尺寸的变密度多胞结构受力仿真分析,比较分析多胞结构力学性能,总结得到制造约束条件下的胞元尺寸和胞元类型选择的一般规律。进行多胞结构的制造与力学试验测试,观测变密度多胞结构的受力变形与破坏模式,比较优化结构与均匀结构的力学性能从而判断优化设计方法的有效性。5、提出了一种面向工程复杂结构的变密度多胞填充优化设计方法:基于设计域划分与应力变形有限元分析,建立工程复杂结构多胞填充优化设计方法。以导引头伺服机构底座为实例,进行变密度多胞填充优化设计。通过有限元方法分析比较优化前后伺服机构底座多胞填充结构的力学性能,验证设计方法有效性。