一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法技术

本发明专利技术公开的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，属于异质点阵建模与仿真领域。针对异质多孔材料之间的相关性，本发明专利技术采用异质化点阵的设计方法，将不同胞元按照组合规律进行设计，极大的丰富点阵构型的设计空间；采用机器学习模型，快速而准确地获得点阵构型与其力学响应之间的关系；通过机器学习模型预测得到的所有构型的力学响应，通过构建构型响应的数据库，能够实现根据目标响应实现异质点阵材料的逆向设计，显著提高优化设计效率，满足工程对多孔材料不同力学性能的需求。本发明专利技术适用建筑、汽车、航空航天等领域，通过异质化点阵的优化设计，获得具有特定目标响应的多孔材料。多孔材料。多孔材料。

【技术实现步骤摘要】
一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种点阵材料微结构的优化设计方法，特别涉及一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，属于建模与仿真领域。

技术介绍

[0002]多孔材料的力学性能与其微观结构密切相关，因此可以通过调整其微观构型调控多孔材料力学性能。目前的研究主要集中于研究具有周期性单一构型的多孔材料的力学性能，由于其微观构型的单一性，多孔材料的力学响应单一。具有单一构型的多孔材料难以应对复杂的工程实际应用需求，通常的做法是设计相应的微结构，以使其满足工程需求。研究表明，设计异质多孔材料，即破坏多孔材料的周期性，其力学性能的可调范围显著增大。因此，具有异质微结构的多孔材料在失效模式、变形吸能等方面提供了无限可能。
[0003]3D打印点阵材料的成型质量受到不同因素的影响，如打印工艺、打印方向等。目前广泛应用的金属3D打印技术主要包括选区激光熔化和选区电子束熔化。选区激光熔化技术获得的试件其表面质量较好，但内部存在气孔。选区电子束熔化技术打印的试件其内部几乎不存在气孔，但表面质量较差。因此，通过3D打印获得的试件不可避免的存在几何缺陷。研究表明，几何缺陷的存在会使点阵材料的实际力学性能偏离其设计值。考虑几何缺陷对3D打印点阵材料的力学影响对于实际应用具有十分重要的意义。
[0004]尽管已经有一些研究探讨了具有异质微结构的多孔材料的力学性能，但是其研究思路与之前类似，即设计一种具有异质微结构的多孔材料，并采用准静态实验或数值模拟，对其力学性能进行研究。但是目前仅将单一的多孔材料进行独立的研究，忽略了异质多孔材料之间的相关性，并且没有针对目标响应进行逆向设计,这在实际工程应用中受到了极大的限制，无法满足工程实际的需求。

技术实现思路

[0005]针对异质多孔材料之间的相关性，本专利技术的主要目的是提供一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，在引入异质微结构的前提下，针对目标响应逆向设计相应的多孔材料，满足工程对多孔材料不同力学性能的需求。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，通过选择具有不同力学性能的点阵材料，将其进行组合以获得一系列具有异质微结构的点阵材料；结合人工智能获得能够预测点阵材料的替代模型，最终借助该替代模型根据目标获得相应的点阵微结构。实现针对目标响应逆向设计相应的多孔材料，满足工程对多孔材料不同力学性能的需求。
[0008]本专利技术公开的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，具体包括以下步骤：
[0009]步骤一、选择两种具有不同力学性质的点阵材料，获得其基本单胞；
[0010]步骤二、根据组合规律获得一系列具有异质结构的点阵材料；
[0011]a)在一种基本点阵材料构型的基础上，分别选区不同数量的另外一种构型进行替换，从而得到异质化点阵。该异质化点阵设计方法也适用于多种胞元类型的组合。
[0012]b)确定组合方式，根据组合公式对可能的构型的数量进行计算，本方法主要考虑二维面内的组合方式。
[0013]步骤三、对步骤二中得到的具有不同构型的异质化点阵的力学响应进行数值模拟；
[0014]a)建立异质点阵的几何模型；
[0015]b)对几何模型进行网格划分；
[0016]c)创建基体材料的材料模型，建立截面模型，并赋予到模型；
[0017]d)由于大变形模拟是强非线性问题，采用有限元软件的显式求解器进行求解。建立显式求解分析步；
[0018]e)创建计算模型中的接触属性；
[0019]f)施加准静态载荷以及设定边界条件；
[0020]g)提交计算。
[0021]步骤四、获得预测点阵材料的机器学习模型；
[0022]a)根据步骤三中的数值模拟结果，建立由构型与应力应变曲线构型的数据库。
[0023]b)选择合适的机器学习模型，建立相应的模型。
[0024]c)将构型信息和相应的力学响应一一对应，准备用来训练模型的数据库。
[0025]d)将数据库分为训练集、验证集和测试集，使用训练集和验证集对机器学习模型进行训练，评估。
[0026]步骤五、根据目标响应获得异质点阵的构型，满足工程对多孔材料性能的目标需求。
[0027]a)根据步骤四中获得的机器模型，对所有可能构型的力学响应进行预测，获得全部构型的响应，并建立一个新数据库。
[0028]b)根据a)获得的数据库，获得力学响应的上下限。
[0029]c)根据a)获得的数据库，获得力学响应的可能规律。
[0030]d)针对c)中获得的可能规律，设计目标响应。
[0031]e)针对目标响应，在数据库中搜寻与设计目标之间具有最小相对误差的响应，并返回其构型信息，满足工程对多孔材料性能的目标需求。
[0032]作为优选，还包括步骤六：根据步骤五得到的目标响应获得异质点阵的构型，应用于汽车、航空航天领域，显著提升多孔材料性变形吸能性能，进而提升汽车、航空航天的防护隔热能力和寿命。
[0033]有益结果：
[0034]1.本专利技术公开一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，采用异质化点阵的设计方法，将不同胞元按照组合规律进行设计，极大的丰富点阵构型的设计空间；
[0035]2.本专利技术公开一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，采用机器学习模型，快速而准确地获得点阵构型与其力学响应之间的关系。
[0036]3.本专利技术公开一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，通过机器学习
模型预测得到的所有构型的力学响应，通过构建构型响应的数据库，能够实现根据目标响应实现异质点阵材料的逆向设计，显著提高优化设计效率。
附图说明
[0037]图1为两种变形模式不同的单胞；
[0038]其中图(a)为八角点阵，图(b)为菱形十二面体；
[0039]图2为有限元模型示意图；
[0040]图3为神经网络结构图；
[0041]图4为数值模拟预测结果与实验结果对比图；
[0042]图5为有限元预测结果与人工神经网络预测结果对比图；
[0043]图6为四种典型曲线的预测结果；
[0044]图7为本专利技术公开的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法的流程图。
具体实施方式
[0045]下面将结合附图和实施例对本专利技术加以详细说明。同时也叙述了本专利技术技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。
[0046]在汽车和航空航天领域，对于具有特定目标响应的多孔材料具有迫切的需求，而传统设计方案的设计空间十分有限，无法满足这一需求。本实施例依照本专利技术公开的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，根据具有不同特征的需求目标，有针对性的对点阵材料的构型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、选择两种具有不同力学性质的点阵材料，获得其基本单胞；步骤二、根据组合规律获得一系列具有异质结构的点阵材料；步骤三、对步骤二中得到的具有不同构型的异质化点阵的力学响应进行数值模拟；步骤四、获得预测点阵材料的机器学习模型；步骤五、根据目标响应获得异质点阵的构型，满足工程对多孔材料性能的目标需求。2.如权利要求1所述的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，其特征在于：还包括步骤六：根据步骤五得到的目标响应获得异质点阵的构型，应用于汽车、航空航天领域，显著提升多孔材料性变形吸能性能，进而提升汽车、航空航天的防护隔热能力和寿命。3.如权利要求1或2所述的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，其特征在于：步骤二的实现方法为，a)在一种基本点阵材料构型的基础上，分别选区不同数量的另外一种构型进行替换，从而得到异质化点阵；该异质化点阵设计方法也适用于多种胞元类型的组合；b)确定组合方式，根据组合公式对可能的构型的数量进行计算，本方法主要考虑二维面内的组合方式。4.如权利要求3所述的一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法，其特征在于：步骤三的实现方法为，a)建立异质点阵的几何模型；b)对几何模型进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋卫东，于国际，肖李军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：