ASMD Lab 以先进结构与材料设计为核心主要开展2个方向的研究
方向一 先进结构拓扑优化设计
（Advanced structural topology optimization design）
先进结构拓扑优化设计方向涵盖了多个重要领域，包括张拉结构设计、结构加劲肋加固优化、超材料设计、结构多尺度优化以及结构可靠度拓扑优化等5个方面的深入研究。在张拉结构设计方面，通过优化设计实现结构的张拉性能最大化，提高结构的强度和稳定性。结构加劲肋加固优化方向致力于通过加劲肋的合理设计和优化，提升结构的整体承载能力。结构超材料研究关注利用先进材料和结构设计实现新颖性能，而结构多尺度优化则考虑结构在不同尺度上的性能，以提高整体效率。结构可靠度拓扑优化致力于通过优化设计提高结构的可靠性，确保在不同工况下都能稳定运行。这些研究方向的整合为结构设计和工程提供了创新的思路，推动了先进结构领域的不断发展。
方向二 拓扑优化算法与自主软件研发
（Topology optimization algorithm and independent software development）
深入研究拓扑优化算法与自主软件开发涉及参数化水平集拓扑优化、刚度扩散方法、并行计算软件研发，以及拓扑优化人工干预智慧设计软件开发等4个关键方向。通过引入参数化水平集，实现在水平集框架中对结构形状的灵活优化；考虑刚度扩散机制，提高算法效率和准确性；采用并行计算技术，优化计算过程，提高拓扑优化速度；同时，开发人工干预拓扑优化技术，推动智慧设计软件的发展。这一系列研究方向共同推动了拓扑优化算法与软件研发领域的不断创新，为工程设计和科学研究提供了先进的技术支持。
方向一 先进结构拓扑优化设计
1、超材料设计
超材料(Metamaterial)是一种由微结构单胞在空间中周期性排列而成的人造材料，它具有自然界中的均质材料所没有的性质，例如负泊松比、负折射、弹性波带隙等，因此在半导体、航空航天、光学和电子工程等领域有广阔的应用前景。超材料可以分为力学超材料（负泊松比、零泊松比材料等）、声学超材料（声子晶体等）、光学超材料（光子晶体等）和电磁超材料等。通过施加周期性边界条件等手段，拓扑优化可以作为一种强大的工具对超材料的单胞进行设计而不需基于人们的经验，从而获得结构合理、功能新颖的超材料。
2、张拉整体结构
张拉整体结构是由仅受轴向拉力或压力的二力单元组成的，与传统的桁架结构拥有同样的基本条件，同时具有柔度大、重量轻、可折叠等特性。张拉整体结构的研究已被应用于工学、数学、建筑及生物医学等领域。
张拉整体结构的设计中涉及到找形与稳定性两方面，其中设计找形包括几何、拓扑和自平衡内力的确定。目前已有很多学者针对张拉整体结构的设计找形问题进行了研究，但是仍存在一些问题，例如，随着设计者根据设计意图对模型进行改动，结构可能从稳定的自平衡状态变形为静定状态从而失去自平衡，本课题组基于此问题，致力于研究算法，在几何和拓扑初步确定的基础上，求解与设计意图最接近的、在内力作用下自平衡并处于能量最小的结构稳定状态。
主要研究课题：
(1) 张拉整体结构的找形设计方法的研究
(2) 张拉整体结构的稳定性分析
(3) 面向设计者的基于张拉整体结构找形算法的结构设计程序
3、结构多尺度优化
自然界生物材料有着多尺度的特性，其内部的层次结构为他们提供了高强度、高韧性、轻质等独特的优势。受自然生物材料启发，利用拓扑优化方法在多个尺度上对结构构型进行探索，能够打破了传统的单一功能、单一尺度和单一分布形式的局限，并充分挖掘结构在不同尺度上的潜力。本研究主要聚焦点阵结构的优化设计，致力于探索高性能、轻量化、多功能结构的多尺度优化设计方法。
主要研究课题：
(1) 基于M-VCUT的微结构数据驱动模型
(2) 基于扩展多尺度有限元的梯度点阵结构协同优化方法
方向二 拓扑优化算法与自主软件研发
1、并行计算软件研发
拓扑优化通过降低结构中的材料用量，充分发挥材料性能优势，近年备受瞩目。大规模网格拓扑优化突破了网格单元尺寸对结果的限制，提供性能更佳的优化。然而，面向大规模网格的结构拓扑优化需要庞大计算量。将拓扑优化与CPU并行计算技术相结合可提高计算效率、扩大计算规模。基于水平集的拓扑优化虽有清晰结构边界的优势，传统方法计算效率低、难形成新孔洞。参数化水平集拓扑优化能缓解这些问题。为解决CPU并行拓扑优化软件的使用不便问题，本研究致力于开发一款Windows下易用的基于CPU并行的拓扑优化软件，集成整个开发过程并推广使用。
2、拓扑优化人工干预智慧设计软件开发
人工干预概念指的是在拓扑优化过程中，设计者根据实际需求和经验对自动生成的优化结果进行手动调整和修正的方法。这种干预可以在优化前、优化中和优化后进行，涉及对几何形状、材料分布以及优化参数的调整。通过人工干预，可以有效地将设计者的直觉和创意融入到优化模型中，解决算法难以直接处理的复杂设计要求和实际制造限制，从而得到更符合实际应用需求的设计方案。该方法不仅提高了设计的灵活性和适应性，还增强了设计结果的实用性和创新性，使拓扑优化更加贴近工程实际和设计者的意图。