实验室设立以下四个研究方向：
1.计算力学的基础理论、方法与核心算法；
2.装备结构轻量化/多学科优化设计理论与方法；
3.装备结构性能评测与智能运维中的关键力学问题；
4.自主CAE定制/通用工业软件研发与应用。
上述四个研究方向，符合本实验室开展面向国家重大需求的应用基础研究，推动学科发展，促进技术进步，发挥原始创新能力引领带动作用的战略定位。计算力学的基础理论、方法与核心算法（方向1）将为构建复杂环境下装备性能分析的高性能数值方法奠定基础；装备结构轻量化/多学科优化设计理论与方法（方向2）将支撑装备结构创新设计能力。这两个研究方向，结合装备结构性能评测与智能运维中的关键力学问题研究（方向3），将共同建立复杂装备结构全生命周期协同设计、评价与运维关键技术，为高端CAE软件研发提供关键技术支撑。自主CAE定制/通用工业软件研发与应用（方向4）将基于前述方向的基础理论与方法研究成果，开展产学研的深度结合，打造支撑装备自主研发的通用以及重点行业定制化CAE软件系统（图1）。
图1 实验室研究方向及其相互关系
1. 计算力学的基础理论、方法与核心算法
以高端工业装备为代表的现代复杂机电系统是机、热、电、磁、液、光等多物理过程及材料、几何、边界条件等非线性融合于同一载体的复杂系统。以数字化和信息化为标志的复杂系统设计技术，其本质是通过计算模型、计算方法的集成对其服役过程中的复杂系统做出准确分析和评估。
本方向针对航空航天、海洋工程、运载工具、能源装备等领域中复杂系统分析设计阶段所面临的关键共性力学问题开展研究。研究内容主要包括：力/热/电/磁多物理场耦合分析、气/汽/液/固多相介质系统的非线性动力学耦合分析、时空多尺度/跨尺度仿真、复杂结构强度与失效的非线性力学行为评估、考虑摩擦与接触的传动系统非线性动力学建模与降维、刚/柔耦合系统动力分析与控制、振动噪声控制、非线性水波动力学数值仿真、材料生长机理与力学性能预测等。
本方向围绕以上关键问题，针对不同研究对象、不同时间和空间尺度，以高性能有限元方法（包括扩展有限元法）、无网格方法等几何分析方法、离散元方法以及分子动力学方法和第一性原理等材料科学计算方法作为计算力学基础工具，通过具有原始创新的建模方法和高性能数值算法研究，为复杂系统创新设计与工业复杂软件研发提供理论和方法支撑。
图2 方向1研究目标
2. 装备结构轻量化/多学科优化设计理论与方法
结构与多学科优化面向工业装备系统的研发需求，融合多领域、多学科的理论、方法和技术，是各类国防与民用复杂装备系统设计的核心技术。本方向考虑多物理场耦合、多尺度融合、多学科交叉、设计与制造一体化等复杂约束条件，开展复杂结构系统设计的新理论、新方法、新框架研究。
本方向以重大装备研发中的结构轻量化和高性能设计为背景，开展结构与多学科优化设计理论与方法研究。研究内容主要包括：建立基于显式几何描述拓扑优化新框架的结构-功能-性能创成设计基础理论、多物理场耦合条件下材料-结构一体化多尺度优化设计理论与方法、考虑材料缺陷和制造误差等的结构不确定性分析及可靠度/鲁棒性优化理论与方法；发展流固耦合及动载荷等复杂激励下的分布阻尼结构稳态/瞬态响应拓扑优化设计、车辆传动系统等刚柔体混合系统耦合非线性振动的多学科/多目标优化设计数学模型与求解方法；探索考虑屈曲模态跃变、自接触等强非线性复杂变形模式下具有多重稳定状态结构的优化设计技术；研究面向增材制造、橡塑成型、微纳制造、软材料器件制备等先进制造工艺的多场/多尺度/多过程优化设计；开展多领域建模与多学科优化的理论与方法研究，实现设计/制造/运行全周期服役性能优化及精确调控。
在上述优化设计问题研究中，针对复杂结构与多学科系统优化模型和不确定性分析模型存在的求解困难，将研究和采用高保真/低保真结合的代理模型、模型降维等技术提高数值求解的效率，采用遗传算法、模拟退火算法等智能优化算法实现变量空间的全局寻优。对于复杂工程结构可靠度设计、固有频率或特征值屈曲优化设计中的双层嵌套优化问题数值求解难题，将重点研究高效率、高精度的近似单层解耦方法的数值实现技术。
图3 方向2研究目标
3. 装备结构性能评测与智能运维中的关键力学问题
新一代航空航天、海洋工程、车辆及能源等重大装备结构系统研制呈现自主化、大型化、精细化以及承载极端化等发展趋势，而且大多在重型承载、强动载冲击、高温热冲击、冷黑、辐射、腐蚀等超常规工况下高速、高精度、高可靠或长寿命运行，对性能与可靠性试验、分析与评价提出了超大减重比、天地一致性等一系列前所未有的高要求。以航空航天发动机、重型燃气轮机、空天飞行器、智能重载车辆及大型舰船等为代表的高端装备，运行监控和维修决策是保障设备安全可靠和节能提效的必要手段。
在重大装备结构性能评测方面，本方向针对具有广泛共性的一系列科学与技术前沿问题开展研究。研究内容主要包括：开展重大装备结构力/热耦合下的结构强度评价，揭示强冲击环境下的动态失效机理，发展空间结构在役性能监测、先进装备原型验证和安全与适航性评定等关键技术；发展面向行业的复杂结构系统承载性能分析与轻量化设计的评价体系，建立高效高精度、实时可视化、安全可控的大型舱段系统静力试验技术及系统，建设重大装备的综合力学环境与动态响应测控实验平台，揭示可重复使用要求下大空域、气固热耦合等环境对装备结构承载行为的影响规律。上述研究中，将重点关注计算力学数值模拟和力学性能试验技术的结合，突破装备结构轻量化、高性能、长寿命等设计中的性能评价难点问题，为大幅提高装备运载能力、可靠性和服役寿命提供关键依据，以提高我国重大装备复杂系统创新研发的核心竞争力。
在重大装备运维技术方面，本方向面向国际研究前沿和高端装备服役安全可靠的国家重大需求，深入开展融合结构机理、智能感知、优化设计、建模仿真、优化监控、维修决策、虚拟仿真等数字孪生核心构件的智慧运维基础理论和应用研究。研究内容主要包括：发展装备结构设计、制造工艺和监控运维协同优化的关键技术；开发环境-人-机耦合装备优化设计与监控维护协同的智慧运维工业软件系统。通过上述工作，将提高我国装备智慧运维基础理论和应用技术研究水平、知识创新和工业软件开发能力，提升我国高端装备系统设计和运维的知识集成度和智能化水平，突破国际高端装备先进监控和智慧运维技术对我国的技术封锁，支撑工业装备多场景协同的系统设计、全链条维护与服役性能优化。
图4 方向3研究目标
4.自主CAE定制/通用工业软件研发与应用
数值仿真软件/计算机辅助工程（CAE）软件是航空、航天、船舶、交通等所有工业部门进行装备研发的基本工具，也是制造信息化、智能化的核心技术，被各国视为具有战略意义的“智能化软装备”。
本方向将重点围绕自主可控工业装备结构分析与优化设计CAE软件系统的研发和应用开展工作。研究内容主要包括：研究和实现复杂结构分析软件与优化CAE软件平台架构及设计方法、大规模复杂结构数值建模和CAD/CAE/CAM一体化设计技术、结构不确定性量化与优化设计高性能算法；研发结构化与非结构化有限元网格自动生成技术、科学与工程计算数据库技术、高性能并行计算技术、多场/多尺度非线性分析和机/电/热/磁多物理场耦合优化数值实现关键技术等，实现对复杂装备结构与产品的设计、制造及服役过程进行分析、模拟、预测、评价和优化。在此基础上，对标国外主流软件功能，开发自主可控的通用CAE软件系统。此外，将面向航空航天、能源动力、汽车、船舶、海洋工程等重点行业的自主创新设计需求，开展设计研发类定制化CAE软件研发。将与软件公司进行产学研密切合作，进行多学科优化和代理模型工具集、多物理场耦合优化系统、可靠度与鲁棒性优化设计系统、自主云端CAE仿真软件与协同研发平台研发，通过数值仿真技术、优化算法和基于云的协同系统，为企业的产品设计研发赋能。本方向将通过研发适配国产操作系统的结构分析与优化CAE平台关键技术开源软件，并开展行业应用推广和用户培训，构建完整的国产化CAE软件研发生态体系。本方向还将为实验室其他方向完成的具有自主特色的计算力学基础理论、方法、算法、模型等创新研究成果提供载体和工程应用的关键支撑。
图5 方向4研究目标
