为提升我国增材制造技术发展水平,国务院将发展增材制造技术列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《中国制造2025》制造强国战略。本课题针对我国航空航天、汽车工业、机械零部件设计等进一步提升比强度、比刚度的需求,以选择性激光熔化(SLM)成形的金属多孔结构为研究对象,以研究多孔结构的力学特性以及实现轻量化性能优越的变密度多孔结构的优化设计为目标,综合运用材料力学、结构力学、静态及动态有限元理论、数值分析、数据挖掘以及最优化设计等理论与方法,结合微观检测分析和力学实验研究,在深入研究金属多孔结构的静态及动态力学特性的基础上,建立基于数据挖掘的变密度多孔金属结构设计方法。论文主要工作如下:(1)根据Euler-Bernoulli梁理论,以BCC金属点阵结构为例,建立了适应SLM成形工艺的弯曲主导型金属点阵结构的静态力学特性的理论计算方法,结果表明BCC点阵结构的等效弹性模量和初始屈服强度分别与其相对密度的2次方和1.5次方成正比,而与组成单元的大小和数量无关,通过建立多单元梁单元法和开展SLM工艺成形的钛合金BCC点阵结构样件的准静态压缩实验,验证了理论计算方法的正确性。(2)由于SLM成形工艺理论上能够成形任意拓扑和形状的金属多孔结构,根据动态数值分析理论建立了可预测任意金属多孔结构力学性能的动态分析方法,并以类刚架点阵结构和三维空间极小曲面Gyroid多孔结构为例,求解其在准静态压缩载荷和冲击载荷下的力学响应,求解结果表明在承受载荷时,类刚架多孔结构的最大Mises应力区域分布在杆件连接附近,而Gyroid曲面多孔结构的最大Mises应力区域集中在曲面的最小曲率处。(3)开展了针对多孔结构内部微小悬垂面和空间极小曲面Gyroid结构的外观精度和内部形貌的微观检测实验,通过光学显微镜观察SLM成形的微小悬垂杆件,在悬垂杆件底端观测到显著的球化现象及粉末黏附,在设计金属多孔结构时应尽量避免悬垂面特征以提升成形精度和避免明显的加工缺陷;为评估SLM工艺对Gyroid空间曲面多孔结构的成形能力,综合采用光学显微镜观测和微焦工业CT(micro-CT)扫描分析Gyroid结构的表面及内部形貌,根据micro-CT截面信息重构三维模型,未发现明显的翘曲变形和加工缺陷。(4)开展了SLM工艺成形的弯曲主导型点阵结构样件、单向增强点阵结构样件和极小曲面多孔结构样件的准静态压缩和冲击实验,发现金属多孔结构的静态、动态力学性能均随相对密度的增加而增强;根据实验数据评估梁理论求解方法、梁单元数值分析方法和动态分析方法的适用范围和精确度,动态分析方法能较好的预测所有多孔结构在载荷作用下的应力-应变曲线的变化趋势,然而,当结构相对密度增加或拓扑结构更复杂时,准静态分析方法求解的多孔结构的弹性模量与实验数据之间的误差逐渐增大,而利用该方法求解的多孔结构的初始屈服强度与实验数据之间的误差保持在30%以内。(5)提出一种基于数据挖掘的变密度金属多孔结构的应力匹配设计和尺寸优化方法,该方法通过对所有设计单元的等效应力条件进行聚类分析,对比不同划分类簇数时求得的平均轮廓系数,得到最优的类簇划分方式并以此合并局部多孔单元,以有效减小设计规模,解决了在变密度多孔结构的设计过程中面临的计算时间长、求解不稳定等难题;以三点弯曲梁的多孔结构重构为研究案例,设计单元的数目由625个减少为8个,实现了多孔梁的快速建模及局部尺寸优化,得到的变密度多孔梁的体积约为原实体梁体积的三分之一,轻量化性能得到明显提升。