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基于机器学习的拉胀超材料的力学设计和性能分析

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基于机器学习的拉胀超材料的力学设计和性能分析

作者：常亚锋河南工业大学

学位级别：硕士

作为新型的人造功能材料,拉胀超材料在轴向受拉/压时可以产生不同于常规材料的横向膨胀/收缩变形,因此具有负泊松比效应。其力学性能通过改变其几何结构设计来进行性能调控,从而实现从结构到性能的常规正向设计。但在实际工程中,从性能... 详细信息

作为新型的人造功能材料,拉胀超材料在轴向受拉/压时可以产生不同于常规材料的横向膨胀/收缩变形,因此具有负泊松比效应。其力学性能通过改变其几何结构设计来进行性能调控,从而实现从结构到性能的常规正向设计。但在实际工程中,从性能到结构的反向设计往往比从结构到性能的常规正向设计需求更为迫切。相比从结构到性能的一对一常规正向映射设计,反向设计往往是一对多的逆向映射过程,即预设目标性能会对应有多组结构参数,更难于实现。目前,成熟有效的拉胀超材料反向设计方法主要是拓扑优化方法,但是其理论复杂,过程繁琐,对设计人员的数学和物理专业技能有较高的要求。为此,论文提出了一种基于误差反向传播的人工神经网络(Back-Propagation Neural Network,BPNN)和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)相结合的数据驱动机器学习模型,实现具有多设计参数的、力学性能定制化的拉胀超材料高效设计。力学性能可以是单一的泊松比,也可以是材料的杨氏模量加泊松比等多种性能目标。在所建立的机器学习模型中,利用有限元仿真方法进行大量的常规设计问题分析以获得样本数据集,从而利用样本数据训练BPNN神经网络,建立结构几何参数与目标力学性能之间的映射关系;进而通过遗传算法的优化功能,全局搜寻与目标力学性能最接近的结构参数的最优解。通过对设计的拉胀结构进行拉伸试验和有限元模拟,验证拉胀超材料机器学习模型的有效性和设计精度,结果表明,机器学习方法为设计具有指定力学性能参数的超材料提供了一种有效的途径。这种方法不仅避免的繁琐的计算公式推导,又降低了常规优化设计中对数学和力学理论知识的深度要求,具有强大的可设计性和可操作性。最后,本文把基于机器学习的超材料设计方法拓展到其他新型超材料结构上,进一步验证了机器学习方法的优势。

关键词：拉胀超材料负泊松比机器学习神经网络遗传算法

增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究

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力学学报 2022年第10期54卷 2733-2746,I0002页

作者：朱一林江松辉于超西南石油大学土木工程与测绘学院工程安全与防护研究院成都610500 西南交通大学力学与航空航天学院应用力学与结构安全四川省重点实验室成都610031

前期研究工作中,基于有限元分析,作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料.为了揭示微观结构-力学性能关系,并进一步指导超材料目标参数设计,本文在小变形框架下基于能量法建立了表征... 详细信息

前期研究工作中,基于有限元分析,作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料.为了揭示微观结构-力学性能关系,并进一步指导超材料目标参数设计,本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型.增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成.“Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉-伯努利梁.因此,本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉-伯努利梁的应变能.然后,考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式.研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时,理论表达式才有简洁的形式.为了更好地利用所推导的理论表达,基于理论推导,本文开发了MATLAT图形用户界面(GUI).在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数,即可直接获取其等效泊松比和弹性模量.最后,基于理论结果,系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响,并将理论解与有限元计算结果进行了对比.结果表明,可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.

关键词：拉胀超材料缺失支柱手性结构负泊松比图形用户界面

随机几何扰动对二维拉胀超材料力学性能的影响

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随机几何扰动对二维拉胀超材料力学性能的影响

二维负泊松比和负热膨胀超材料力学及声学性能研究

第十八届北方七省市区力学学会学术会议

作者：肖思航王辉河南工业大学土木工程学院海南大学土木建筑工程学院

拉胀超材料是一种泊松比为负值的新型人工超材料,其拉胀效应主要来自于受载情况下材料内部微结构的几何旋转变形。现有拉胀超材料的设计大多依赖于几何结构的高度对称性和有序性,然而这种具有超高对称性的拉胀超材料在实际工程中往往是... 详细信息

拉胀超材料是一种泊松比为负值的新型人工超材料,其拉胀效应主要来自于受载情况下材料内部微结构的几何旋转变形。现有拉胀超材料的设计大多依赖于几何结构的高度对称性和有序性,然而这种具有超高对称性的拉胀超材料在实际工程中往往是难以构建的。本研究基于Cassini Oval曲线设计了一种新型的穿孔式拉胀超材料,并在此基础上提出了孔朝向随机、孔尺寸随机两种随机模型来尽可能地模拟真实的物理系统。利用3D打印技术制备了相应的拉伸试样并对其进行了单轴拉伸测试,随后通过有限元仿真的方法进一步地研究了随机几何扰动对穿孔式拉胀超材料力学性能的影响。结果表明,穿孔式拉胀超材料在受到随机几何扰动的情况下仍然表现出较为明显的拉胀效应,这对于拉胀超材料在实际工程应用中具有一定的意义。

关键词：拉胀超材料随机模型拉伸试验有限元模拟

来源： cnki会议评论

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二维负泊松比和负热膨胀超材料力学及声学性能研究

作者：李昂河南工业大学

学位级别：硕士

与具备单一性能或单一功能的常规材料不同,先进多功能超材料可以同时实现两个或多个功能。因此,多功能超材料对所服役的环境具有更好的适应性。其中,在各种多功能超材料中,具有负泊松比和负热膨胀系数的轻质多功能力学超材料受到了研究... 详细信息

与具备单一性能或单一功能的常规材料不同,先进多功能超材料可以同时实现两个或多个功能。因此,多功能超材料对所服役的环境具有更好的适应性。其中,在各种多功能超材料中,具有负泊松比和负热膨胀系数的轻质多功能力学超材料受到了研究人员的广泛关注,在航空航天、土木工程和精密仪器等领域具有广阔的应用前景。但是,目前力学超材料的研究多集中在单一力学性能标定,很少涉及其他物理性质和功能,且研究手段较为单一,一定程度上限制了多功能力学超材料的发展。因此,本文在基于花生状孔的穿孔式拉胀超材料研究的基础上,设计了一种由正交正弦曲线杆组成的、具备负泊松比、负热膨胀和声子禁带特性的二维超轻多功能拉胀超材料。本文主要工作内容为:(1)对基于花生状孔的穿孔式拉胀超材料进行轻量化设计,获得了一种含正交正弦曲线杆的拉胀超材料,构造了对应的均质化计算模型。接着,通过3D打印技术分别制备了三种不同构型的拉伸试件进行拉伸实验。研究结果表明,实验结果与计算结果吻合较好,验证了计算模型的正确性。最后,通过验证的均质化计算模型对超材料进行了参数化分析,获得了等效弹性常数和几何构型之间的对应关系,并得到无量纲形式的零泊松比预测多项式,其有效性通过拉伸实验得到了验证。(2)基于手性原理,设计了一种含双材料的新型负热膨胀拉胀超材料结构。有限元模拟表明当其两种材料的热膨胀系数不同时,结构在横、纵方向上具有几乎一致的负热膨胀效应。通过参数化分析进一步研究了两种材料的相对材料属性对热膨胀系数的影响。(3)采用有限元仿真方法,建立了含正交正弦曲线杆的拉胀超材料声子晶体模型,利用声波传输理论分析了超材料的禁带产生机理和传输损耗。然后,采用参数化分析方法研究了不同结构参数和基体材料属性对带隙宽度和频率范围的影响。研究结果表明,超材料在一定频率范围内具有较宽声学带隙,能够有效限制该频率段内弹性波的传播。通过调节形状参数和基体材料属性,能够实现对声学带隙的灵活调控。综上所述,本文设计了一种新型的含正交正弦曲线杆的负泊松比和负热膨胀结构,系统地研究了其力学性能、负热膨胀性能和声学带隙,为新型多功能超材料的设计和应用提供新的思路。

关键词：拉胀超材料多功能负泊松比负热膨胀声子带隙

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轴向压缩荷载下圆筒超材料力学响应研究

轴向压缩荷载下圆筒超材料力学响应研究

作者：张冲河南工业大学

学位级别：硕士

超材料是一种通过人为精心设计微结构实现超常性能的新型复合材料,其中一类具有反常规负泊松比的超材料被称为力学拉胀超材料。由于其独特的力学性能,已经被广泛应用于航空航天、医疗器械、运动服饰等领域。现有的力学拉胀超材料微结构... 详细信息

超材料是一种通过人为精心设计微结构实现超常性能的新型复合材料,其中一类具有反常规负泊松比的超材料被称为力学拉胀超材料。由于其独特的力学性能,已经被广泛应用于航空航天、医疗器械、运动服饰等领域。现有的力学拉胀超材料微结构主要包括穿孔结构、杆系结构等,内部存在大量的尖角和薄弱区域,极易发生应力集中,造成超材料如圆筒状拉胀超材料结构破坏。为了降低圆筒超材料的应力水平,本文基于二维花生形孔反手性单元,设计出了能够大幅缓和应力集中的圆筒状拉胀超材料,并通过单轴压缩实验和数值模拟综合研究了该结构的力学性能。进一步探索发现,不同连接方式的手性单元能够实现截然不同的变形模式,并以此提出了新型圆筒状压扭超材料,同样进行了相关的力学性能研究。由于薄壁结构和多孔材料具有良好的能量吸收性能,本文还对提出的新型圆筒超材料的动态压缩性能进行了分析。全文的主要内容如下:(1)采用3D打印机制备了新型圆筒状拉胀超材料试样,对其进行了单轴压缩实验,测得了相关力学性能,并通过经过实验验证的数值模拟研究发现,新型拉胀圆筒具有极低的应力水平、更好的稳定性和更强的承载能力等优势。此外还探究了拉胀圆筒的变形机理和几何参数对圆筒超材料拉胀性能的影响。(2)通过有限元的显式算法对动态压缩下的低应力圆筒拉胀超材料的变形模式、能量吸收性能等进行了研究,并探究了压缩速度和圆筒壁厚对动态压缩性的影响。(3)基于四翼回旋镖形状手性单元设计了新型圆筒状压扭超材料,并进行了相应的实验和数值模拟,分析了压扭圆筒的变形机理和径向变形。对比现有的压扭圆筒,新型压扭圆筒的弯曲韧带具有更好的柔韧性,每1%压缩应变能够实现超过20°的扭转角。(4)采用数值模拟研究了新型压扭圆筒的动态压缩性能,动态压缩过程中出现了两个能量吸收阶段,其中阶段二表现出了很高的比吸能和压溃力效率。压扭圆筒在动态压缩下不断扭转,压缩量超过70%时径向变形仍然很小,具有极高的空间利用率。

关键词：拉胀超材料低应力水平压缩-扭转耦合效应手性结构能量吸收性能

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二维拉胀声子晶体的力学及声学性能研究

二维拉胀声子晶体的力学及声学性能研究

作者：肖思航河南工业大学

学位级别：硕士

人类文明的进步总伴随着新材料的发展,具有高性能的先进材料和结构始终是人类不懈的追求目标。由于具有特殊的微结构形式,拉胀超材料能够产生负泊松比效应以及声学带隙效应,因此受到科研人员的关注,并广泛应用于航空航天、交通运输以及... 详细信息

人类文明的进步总伴随着新材料的发展,具有高性能的先进材料和结构始终是人类不懈的追求目标。由于具有特殊的微结构形式,拉胀超材料能够产生负泊松比效应以及声学带隙效应,因此受到科研人员的关注,并广泛应用于航空航天、交通运输以及医疗器械等领域。然而,现有对拉胀超材料的研究也面临一些挑战,如传统内凹设计往往容易导致结构局部应力过高、缺乏对其力/声综合性能的讨论以及研究手段较为单一等,在一定程度上限制了拉胀超材料的发展。本文基于卡西尼卵形线(Cassini oval)设计了一种含Oval孔的低应力拉胀超材料结构。通过实验测试、数值模拟、机器学习预测以及多孔材料均质化计算方法,系统地研究了Oval孔拉胀超材料的力学性能,为该拉胀超材料结构的设计提供了指导。此外,本文还对Oval孔拉胀超材料结构的声学带隙特性进行了研究,拓展了其在滤波、减振、降噪等工程领域中的应用。本文的主要内容包含以下几个方面:(1)基于卡西尼卵形线设计了一种含Oval孔的穿孔式拉胀超材料结构,有效地降低了结构的应力水平与几何设计参数数量。利用3D打印技术制备了该超材料结构的试件,并针对其力学性能进行了单轴拉伸测试。同时构建了相应的数值模型、机器学习预测模型以及多孔材料均质化计算模型,对该超材料结构的力学性能进行了系统研究,计算结果均与实验测量结果吻合较好。进一步地,对该超材料结构进行了参数化分析,同时给出了零泊松比时对应的参数阈值。(2)采用数值模拟的方法,对Oval孔拉胀超材料结构的声学带隙特性以及弹性波传输特性进行了研究,发现该超材料结构能够在一定频率范围内产生声学带隙,从而有效地抑制了弹性波在结构内部中传播。参数化研究表明,该拉胀超材料结构所产生的带隙宽度及所在频率范围,可通过改变结构孔隙率以及材料参数来进行灵活地调控。(3)基于几何分形的思想,设计了一种新型多级拉胀超材料结构。通过拉伸实验、数值模拟以及多孔材料均质化计算的方法,对该多级结构的力学性能进行了研究。结果表明分形设计能够有效地增强结构的拉胀效应。但是这种增强拉胀效应却具有明显的方向性,并且受几何参数以及分形阶次影响显著。此外还对多级拉胀超材料结构的声学带隙特性进行了研究,发现随着孔隙率或分形阶次的提高,多级结构的带隙位置逐渐从高频率区域转向低频率区域,且带隙的宽度及数目也随之增加。(4)从实际工程应用的角度出发,考虑了随机几何扰动对拉胀超材料结构力学性能的影响。构建了针对Oval孔的角度随机、尺寸随机以及完全随机三种不同的随机拉胀超材料结构,并通过拉伸实验测试以及数值模拟的方法对随机结构的力学性能进行了研究。结果表明,所有的随机结构均具有明显的拉胀效应,这意味着拉胀超材料结构的拉胀效应对随机几何扰动具有较好的鲁棒性。综上,本文设计了一种含Oval孔的新型拉胀超材料结构,对其力学性能及声学带隙特性进行了系统的研究,为该拉胀超材料结构在实际工程中的应用提供了基础。此外,本文所采用的研究方法与思路,对其他超材料结构的设计与研发也具有一定的借鉴价值。

关键词：拉胀超材料声子晶体多级结构随机几何扰动均质化计算方法

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基材塑性模量对手性拉胀结构拉胀性能的影响

成都大学学报（自然科学版） 2022年第1期41卷 58-64页

作者：安文龙吴璇江松辉朱一林西南石油大学土木工程与测绘学院四川成都610500

针对两种经典手性拉胀结构(三节点反手性材料和六节点手性结构),系统考察了基体材料塑性模量对其拉胀性能(负泊松比行为)的影响.结果表明:塑性变形会抑制三节点反手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越差;与之相反,塑... 详细信息

针对两种经典手性拉胀结构(三节点反手性材料和六节点手性结构),系统考察了基体材料塑性模量对其拉胀性能(负泊松比行为)的影响.结果表明:塑性变形会抑制三节点反手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越差;与之相反,塑性变形会促进六节点手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越好.此外,在初始变形时,两种结构的负泊松比响应均为各向同性,但随着变形的增加,负泊松比响应转为具有旋转对称性的各向异性.

关键词：拉胀超材料负泊松比塑性模量手性结构

基于四手性单元的具有可调节压缩-扭转耦合效应的新型圆筒状超材料研究

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