面向空天装备的先进材料和结构智能设计、智能分析、智能制造一体化

空天装备和空天产业的发展是“十四五”发展规划重点支持方向之一。极端环境下热防护材料和关键热端部件服役温度越来越高，扩展材料极限性能需求愈发强烈。面向空天高性能复合材料需求，亟需发展各类先进复合材料，但其结构复杂，失效模式多样，无法采用传统的理论和分析方法，对材料-结构-功能一体化分析、设计、制造提出了挑战。据此，我们基于多尺度方法与理论、多层级变形与失效分析、多尺度强韧化设计方法，同时结合大数据分析、机器学习等新兴分析方法，针对空天先进材料和结构失效分析与智能设计开展了一系列的工作。

1. 先进材料和结构失效分析与强韧化

在原子尺度，基于失效键的局部应力，定义原子键本征强度，只与局部化学环境相关，与缺陷类型、加载方式、失效键类型无关，得到了原子键断裂的统一标度。考虑外部载荷和残余应力引起的局部拉伸与键本征强度平衡原则，构建包含原子结构的统一强度理论，无需额外拟合参数，可准确描述二维材料不同缺陷失效曲面。在介观尺度，构建相场断裂与疲劳模型，揭示复杂结构材料断裂和疲劳裂纹萌生及演化机理。

层状聚集体和耐高温陶瓷在制备过程中形成复杂多级结构，跨越多个尺度，多尺度力学性能衰减机理不清，缺乏多层级微结构调控方法。基于石墨烯聚集体三层次优化设计方法，提出了高温退火调控缺陷、大片层提高结构完整性、塑化拉伸消除褶皱、层间缠结工程等策略，提高石墨烯纸性能，实现了石墨烯纸GPa量级强度及高导电、导热。

2、材料到结构智能设计

提出了基于多尺度计算与人工智能的材料智能设计新范式。通过构建从原子到结构的层次化表征体系，解析材料与结构的时空演化特征，揭示多尺度结构-性能的关联机制；构建物理信息嵌入的数据驱动模型，实现材料组分到宏观性能的高精度跨尺度映射；发现多尺度分析方法，系统研究材料从原子、分子到宏观尺度的疲劳寿命、断裂韧性和强度等性能指标；开发逆向设计算法与平台，通过多尺度性能约束优化实现材料组分和结构协同调控，为先进材料在极端服役环境下的创新应用提供理论指导和方法支撑。

3、航天航空结构多层级分析与设计

纤维增强复合材料（CFRPs）具有轻质、高强等优点，广泛应用于航天航空领域，是空天结构轻量化设计的关键。然而，CFRPs各向异性和层状堆栈的特点导致其失效模式非常复杂，而基于“积木式”试验验证的设计方法周期长且成本高，亟需开展CFRPs空天结构智能分析与设计研究。结合数据驱动方法，建立CFRPs空天结构自下而上的层级化设计框架。在材料级，训练端到端机器学习模型预测材料许用应变值，建立材料选型库；在元件级，建立细节结构性能预测代理模型，并结合优化算法进行结构的轻量化设计；在组件级，开发基于设计条件的生成式机器学习模型，用于空天结构的逆向设计，快速生成设计方案；在部件级，发展部件应力/应变分布预测方法，确定危险区域并进行多尺度结构优化设计；研究成果集成于整机级，实现CFRPs空天结构的高效设计。

4、先进材料的多场耦合理论建模与计算

 5、多功能轻量化结构功能一体化设计与制造

围绕轻质-承载-热管理-减振降噪-防护等一体化设计要求，团队成员将机器学习与全局优化算法耦合，构建了夹芯复合结构的数据驱动多目标协同优化设计模型，厘清了各组元的拓扑构型参数对复合结构面密度、抗弯刚度、损耗因子等多要素性能指标的影响规律，建立了相应的映射关系代理模型，并开展了复合结构轻质-承载-热管理-减振降噪-防护等一体化调控设计与验证分析，相关优化技术应用于指导相关领域轻量化设计与制造。