题目：基于协同优化方法的结构拓扑与尺寸优化

结构优化在工程实践中发挥着重要的作用，结构尺寸优化与拓扑优化是其中两个重要的研究方向。尺寸优化对结构的细节尺寸进行寻优，连续体拓扑优化则在设计域内寻求最优的材料分布，两者通常分别应用于详细设计阶段与概念设计阶段。随着航天器结构设计要求的提高，开展尺寸和拓扑协同优化技术的研究，对于促进先进结构优化技术的工程应用具有重要意义。基于协同优化的思想，本文分别对薄壁加筋结构的优化和复杂结构响应约束下的优化问题进行了研究。

在薄壁加筋结构优化设计中，壁板的厚度和加筋的布局分别属于尺寸优化和拓扑优化，通常两者分阶段进行，缺乏对其耦合关系的考虑。为此，本文提出了一种新的优化策略，建立结构拓扑和尺寸同时优化的数学模型，以重量最轻为目标，在设计约束下，以结构尺寸和有限元单元的相对密度为设计变量，对薄壁结构进行优化设计，使其同时获取最佳壁板尺寸与加筋布局。利用优化软件Isight和有限元分析工具Patran/Nastran建立优化流程，使用Isight提供的优化算法进行尺寸变量寻优，由Patran/Nastran进行拓扑优化和结构分析。典型算例及工程结构的优化结果表明了该方法的可行性及有效性。

航天器结构优化设计中涉及一些复杂的结构响应，如复合材料的霍夫曼系数、频响分析中某些特定位置的加速度响应等，与位移、应力、模态频率等响应量不同，这些响应不易于在结构分析的结果中直接获取，很难将它们作为结构优化计算中的指标，通常只用于对优化后结构的校核。本文根据多学科优化中的协同优化方法，以各复杂响应的分析作为学科，建立了系统级和学科级的优化模型，形成了考虑复杂响应约束的结构拓扑、尺寸协同优化流程，利用Isight搭建协同优化框架，集成Patran/Nastran完成协同优化流程。在文中通过算例的优化结果验证了该流程框架的可行性和有效性，并将其应用于卫星结构设计的实际问题，体现了方法的工程实用性。