北京化工大学《复合材料结构》丨使用基于泊松比的晶胞分布设计穿孔机械超材料变形模式的优化方法
通过改变具有不同几何参数的晶胞分布，具有产生拉胀效应的穿孔图案的二维超材料可以表现出可变和可定制的变形机制。局部均质泊松比可用作建立局部晶胞参数和全局变形之间的联系的一种方式。研究团队在这里提出了一种基于泊松比的晶胞分布优化方法来设计穿孔结构中的变形模式。具有中心对称穿孔的板状结构在这里被分成不同的区域，这些区域具有不同的晶胞拓扑结构，这些区域具有不同的均质泊松比值。属于同一区域的所有晶胞具有相同的几何形状。差分进化（DE：Differential Evolution）算法用于优化单位单元区域的均质化局部泊松比的排列和组合。使用所提出的方法可以获得满足所需变形模式的二维穿孔结构。模拟和实验表明，所提出的方法可以在单轴拉伸载荷下提供二维穿孔机械超材料的可控形状变化。
研究创新
随着拓扑优化技术和3D打印技术的发展，已经设计了不同类别的单元格。当超材料由自适应或智能材料制成时，这些配置的泊松比值可以通过调整它们自己的晶胞几何参数或通过外部多物理场刺激来改变。然而，在目标变形模式方面，具有相同材料和几何参数的单元单元的均匀分布具有有限的性能空间。解决此限制的一个可能的方法是设计和优化单元格的非均匀分布。
北京化工大学机电工程学院、高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室姚剑飞等人与布里斯托大学复合材料研究所、动力学与控制研究组Fabrizio Scarpa近期发表在《Composite Structures》期刊上的论文“An optimization approach to design deformation patterns inperforated mechanical metamaterials using distributions of Poisson’s ratio-basedunit cells”，Volume 281, 1 February 2022, 115015，https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115015，描述了一种通过优化方法设计具有所需全局/局部变形的穿孔超材料的技术，该方法基于按扇区识别基于泊松比的单位单元分布并使用差分进化算法。优化过程是一个变量的演化，包括变异、交叉和选择，这里的变量是泊松比序列。该过程包括每个变形优化区域的局部泊松比和杨氏模量。
图文快览
具有椭圆穿孔晶胞的结构的有限元模拟
总结
在这项工作中，提出了一种基于泊松比的晶胞分布优化方法，用于可设计变形的差分进化算法。并研究了具有穿孔的二维结构。将结构划分为不同的区域，通过优化区域的泊松比，可以得到满足目标变形趋势的二维穿孔结构。优化结果与泊松比的优化范围和目标横向位移的选择有关。通过有限元结果与实验结果的对比验证了所提方法的有效性。该工作可为二维结构变形设计和优化提供帮助。
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