Preface　前言

针对我国航空航天、船舶、兵器、电子等领域装备的高性能、轻量化、低故障研制需求，开展先进设计理论与方法研究，对提高装备设计水平，推动我国高端装备设计向国际引领创新水平发展，将具有重要意义。装备产品设计一般包括概念设计、基本设计和详细设计3个阶段，其中概念设计直接影响着后续设计工作，对装备各方面性能影响起到了非常关键的作用。在装备产品的概念设计阶段，采用先进设计手段和方法，以提高装备性能、满足装备研制需求，是国内外的研究热点。目前，各种优化方法层出不穷，如拓扑优化、多学科设计优化和可靠性设计优化等，在概念设计阶段结合优化手段开展装备产品设计，是装备产品设计领域一种高效可靠的途径。针对装备的轻量化、高性能设计需求，本书详细介绍了拓扑优化设计方法；针对装备设计涉及多个学科，且学科间相互耦合的特点，为获取装备整体性能最佳的设计方案，本书详细介绍了多学科设计优化方法；针对装备在设计、制造、运营及维护各个阶段存在各种不确定性，产品发生故障的概率急剧增大，产品的可靠性亟待提高，本书详细介绍了可靠性设计优化。本书通过对上述3类优化驱动的设计方法进行介绍，并结合应用案例对方法的实施流程和步骤进行讲解，希望对拓展装备设计人员的设计能力、提升我国装备设计水平，起到一定的推动作用。

作者长期从事优化驱动的设计方法及其工程应用研究。2006年，依托国家重点基础研究发展计划（“973计划”）课题，围绕拓扑优化设计、多学科设计优化和可靠性设计优化开展了系统的理论研究工作。上述方向后续得到了多项国家自然科学基金项目（51675196、51825502、51675198和51705166）、国防基础科研计划项目（JCKY2016110C012）、装备发展部预先研究项目和外协课题的资助，形成的方法与成果在航空航天、船舶、兵器、汽车等重点行业的骨干企业获得成功应用，并在国内外期刊和会议上发表相关论文100余篇，在优化驱动的设计方法研究方向产生了一定影响。本书是在总结作者有关优化驱动的设计方法相关研究成果的基础上撰写而成的，如对读者在科研或工作中有所帮助，将是作者最大的欣慰。

全书共10章：第1章为绪论，介绍了拓扑优化设计、多性设计优化的研究背景与现状。第2~5章介绍了拓扑优化设计方法，阐述了基于参数化水平集的拓扑优化设计，并按照应用对象的构型尺度，分别介绍了结构拓扑优化设计、材料拓扑优化设计，以及结构与材料一体化的多尺度拓扑优化设计。第6章和第7章介绍了多学科设计优化方法，重点讨论了几种典型的近似模型构建方法和多学科求解策略。第8章和第9章介绍了可靠性设计优化方法，详细讲解了基于概率解析和基于近似模型的可靠性设计优化方法。第10章介绍了上述3类优化驱动的设计方法的应用案例，包括卫星推进舱主承力结构、支撑结构、悬臂梁结构等的拓扑优化设计，小水线面双体船和散货船船型参数多学科设计优化，以及蜂窝状结构、箱型梁结构、弯曲梁结构的可靠性设计优化。

本书撰写过程中，得到了众多学者的帮助与指导，特别感谢李培根院士和谭建荣院士对本书提出的许多宝贵意见。感谢课题组许多在读和已毕业的研究生，他们为本书的撰写提供了很大的帮助。感谢中国机械工程学会和清华大学出版社给予的大力支持和帮助。

本书可供从事产品设计的研究人员和工程师参考，也可供高等院校航空航天、力学、机械、土木等专业从事优化设计方向的研究生使用。希望本书的出版对推动优化驱动的设计方法的研究与应用能起到良好的作用。

鉴于作者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。

作者

2019年8月