结构设计轻量化，提高有效载荷，满足结构刚度、强度与动力学等性能要求是发展先进飞行器优化设计理论方法与技术的永恒主题。从早期的木质材料、轻质合金到现在的复合材料，每一种材料的应用都促进了飞机性能的大幅提升，形成“一代材料，一代飞机”的格局，可以说应用新型材料与结构设计技术提高结构效率是贯穿飞机发展过程的主线之一，成为各个时期飞机设计的重要内容。

目前，复合材料、蜂窝材料结构在飞行器设计中的应用已经从最初的非承力部件扩展到关键承力部件。为了进一步发挥材料与结构的可设计性，满足飞行器更为苛刻的服役环境下的性能要求，必须发展先进的材料/结构一体化设计方法，充分使用现代优化设计理论，从多学科角度最大限度地挖掘材料与结构的设计潜力，按结构性能与功能(如承载、防热等)要求开展结构的布局设计，实现“一材多用”，达到材料与结构的最佳匹配。

本文主要介绍近年来蓬勃发展的拓扑优化设计方法(TopologyOptimizationMethod)，重点阐述该方法在结构布局设计、多孔材料构形设计和材料结构一体化设计中的应用。需要指出的是，在实际应用中设计的可行性必须与材料、结构的制备方法以及制造工艺相结合。

拓扑优化设计方法

自20世纪60年代开始，随着数值计算方法与计算机技术的迅猛发展，结构优化设计技术在飞行器轻量化设计中发挥了巨大的作用，人们采用有限元结构计算与优化设计算法相结合的途径取得了可喜的效果。

目前，优化功能模块已成为大型商业化结构计算软件如MSC/Nastran、Ansys、Samcef系统设计工具的重要组成部分。结构优化设计方法经历了尺寸优化、形状优化、拓扑优化3个发展历程，这也是目前常用的3种基本方法。

尺寸优化通常是在结构形式一定的情况下，通过优化结构的截面尺寸，如杆的截面积、板厚等参数实现结构的减重设计并同时满足强度与刚度设计要求;形状优化设计是在结构形式与截面尺寸均假设不变的情况下，通过改变结构几何轮廓形状达到结构减重或减小应力集中的设计要求;拓扑优化设计方法则是在假设载荷与边界条件不变的情况下如何获得最优拓扑结构形式，即通过优化传力路径提高结构的总体性能(如结构刚度、固有频率)。比较以上3种方法可以发现，前2种方法属于详细设计过程，而拓扑优化则属于概念布局设计，决定了材料在空间的分布，是结构轻量化设计的关键。因此在实际应用与产品开发中可以先进行拓扑优化，再实施尺寸或形状优化设计。