供稿人:孟子捷 賀健康 發(fā)布日期：2018-09-01
增材制造技術(shù)可以制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的材料，這些比它們的基材料表現(xiàn)出更廣泛的體積特性的工程材料，通常被稱為超材料。具有特殊性能的超材料有許多應(yīng)用，但超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻是非常困難的，通常是由手工試錯(cuò)完成的。Desai Chen等學(xué)者提出了一種自動(dòng)發(fā)現(xiàn)具有極端宏觀性能的超材料族的計(jì)算方法。利用有效的模擬和采樣技術(shù)，計(jì)算了物理可實(shí)現(xiàn)超材料覆蓋的力學(xué)性能空間。然后，將具有共同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超材料聚集成一族。從族中提取參數(shù)化模板，以產(chǎn)生最終的新的超材料設(shè)計(jì)。他們?cè)谖恼轮姓故玖擞?jì)算設(shè)計(jì)機(jī)械超材料的能力，并展示了找到的5個(gè)具有極端彈性材料性能的負(fù)泊松比超材料族。
如圖1所示，Desai Chen等人通過(guò)四步的軟件流程，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式找到這些模板。
圖1 發(fā)現(xiàn)極端超材料族的計(jì)算流程
系統(tǒng)以一組基材料作為輸入，輸出參數(shù)超材料模板。通過(guò)將基于體素的超材料表示轉(zhuǎn)化為參數(shù)形狀，可以得到任意分辨率的結(jié)構(gòu)。這樣就可以產(chǎn)生符合所選制造方法的分辨率的超材料。這些新產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)物理性質(zhì)的最佳權(quán)衡。該研究的目標(biāo)是了解使結(jié)構(gòu)工作的共同機(jī)制，從而使人們能夠利用這些機(jī)制來(lái)創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)。
首先，建立了一個(gè)涵蓋材料參數(shù)范圍的超材料數(shù)據(jù)庫(kù)。把可實(shí)現(xiàn)的材料參數(shù)范圍定義為材料性質(zhì)范圍。然后，在現(xiàn)有的材料性質(zhì)范圍附近，選擇了一個(gè)這個(gè)范圍邊界附近具有相似材料特性的超材料子集。通過(guò)算法分析了這些結(jié)構(gòu)之間的幾何相似性。由于許多不同的結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)相似的性質(zhì)，因此根據(jù)它們的幾何特征將它們分成幾個(gè)族。該算法一旦分離了這些族，就會(huì)提取它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成模板。這些模板揭示了每個(gè)族內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的基本共同結(jié)構(gòu)。它們還可以通過(guò)少量的參數(shù)調(diào)整來(lái)產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)。為了在材料性質(zhì)范圍邊界附近建立新的結(jié)構(gòu)(即幾乎極端的性質(zhì))，Desai Chen等用回歸方法計(jì)算出改變模板參數(shù)的方向。系統(tǒng)的最終輸出是一組由簡(jiǎn)化的參數(shù)控制的用于生成新的獨(dú)立于邊界的結(jié)構(gòu)的模板。
圖2 材料性能范圍超材料模板抽樣覆蓋
該研究展示了一種將離散采樣、連續(xù)優(yōu)化和降維方法結(jié)合起來(lái)的計(jì)算方法，用于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)新的超材料族和機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)制很難人工實(shí)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)適合增材制造，因?yàn)樗鼈儽苊饬吮⌒吞卣?，并將變形分布在梁上，結(jié)構(gòu)的性質(zhì)也跨越了廣泛的剪切模量，使工程師能夠在不同的宏觀性能之間取得平衡。本案例研究的重點(diǎn)是彈性材料的性能，但該技術(shù)還可以應(yīng)用于其他物理特性，如力學(xué)、熱、光、聲平衡等超材料結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。