供稿人:孟子捷 賀健康 發(fā)布日期：2018-09-01
增材制造技術可以制造出具有復雜內部結構的材料，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用，但超材料結構設計卻是非常困難的，通常是由手工試錯完成的。Desai Chen等學者提出了一種自動發(fā)現(xiàn)具有極端宏觀性能的超材料族的計算方法。利用有效的模擬和采樣技術，計算了物理可實現(xiàn)超材料覆蓋的力學性能空間。然后，將具有共同拓撲結構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計。他們在文章中展示了計算設計機械超材料的能力，并展示了找到的5個具有極端彈性材料性能的負泊松比超材料族。
如圖1所示，Desai Chen等人通過四步的軟件流程，以數(shù)據(jù)驅動的方式找到這些模板。
圖1 發(fā)現(xiàn)極端超材料族的計算流程
系統(tǒng)以一組基材料作為輸入，輸出參數(shù)超材料模板。通過將基于體素的超材料表示轉化為參數(shù)形狀，可以得到任意分辨率的結構。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)生的結構能夠實現(xiàn)物理性質的最佳權衡。該研究的目標是了解使結構工作的共同機制，從而使人們能夠利用這些機制來創(chuàng)造新的結構。
首先，建立了一個涵蓋材料參數(shù)范圍的超材料數(shù)據(jù)庫。把可實現(xiàn)的材料參數(shù)范圍定義為材料性質范圍。然后，在現(xiàn)有的材料性質范圍附近，選擇了一個這個范圍邊界附近具有相似材料特性的超材料子集。通過算法分析了這些結構之間的幾何相似性。由于許多不同的結構都能實現(xiàn)相似的性質，因此根據(jù)它們的幾何特征將它們分成幾個族。該算法一旦分離了這些族，就會提取它們的拓撲結構，形成模板。這些模板揭示了每個族內部微觀結構的基本共同結構。它們還可以通過少量的參數(shù)調整來產(chǎn)生新的結構。為了在材料性質范圍邊界附近建立新的結構(即幾乎極端的性質)，Desai Chen等用回歸方法計算出改變模板參數(shù)的方向。系統(tǒng)的最終輸出是一組由簡化的參數(shù)控制的用于生成新的獨立于邊界的結構的模板。
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)化和降維方法結合起來的計算方法，用于自動發(fā)現(xiàn)新的超材料族和機械結構，這些新的結構設計和機制很難人工實現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)的結構適合增材制造，因為它們避免了薄型特征，并將變形分布在梁上，結構的性質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。本案例研究的重點是彈性材料的性能，但該技術還可以應用于其他物理特性，如力學、熱、光、聲平衡等超材料結構的自動化設計。