多孔结构的高效参数优化设计
发布时间：2020-08-13 07:14
【摘要】：多孔结构在自然界生物体中广泛存在,如常见的木头和骨头等。研究者发现,正是这些复杂的多孔结构决定了其优秀的物理化学性能,并启发了对工业多孔材料的研发。近年来三维打印技术的崛起,从根本上解决了复杂多孔结构的制备问题,因此如何设计满足特定性能需求的多孔结构成为亟待解决的热点问题。目前多孔结构设计还面临诸多挑战:几何结构复杂,难以实现有效建模和控制;物理仿真计算量大,耗时长;缺乏高效精确的多孔结构设计方法。针对这些挑战,本文从基础的圆孔多孔结构开始,逐步探索更广的设计空间到各向异性多孔结构和随机多孔结构,分别给出对应的高效参数优化设计方法,其中包含多孔结构的参数表示方式、快速双尺度仿真技术、以及性能驱动的设计优化方法。具体而言,本文的主要研究工作包括:(1)高效的各向同性多孔结构的双尺度参数优化设计:为了更好地耦合各向同性多孔结构的微观几何和宏观物理性能,本文给出基于代表体积元的结构参数表示方法;为了解决基于结构参数的物理仿真难以高效计算的问题,本文引入均一化方法和组合逼近等技术给出宏观性能的近似估计方法,最终将参数设计问题简化为易求解的低维优化问题。基于此,本文提出能够保持高效和数值稳定的各向同性多孔结构的参数优化设计方法;(2)高效的各向异性多孔结构的参数表示方法和优化设计:在更为复杂的各向异性多孔结构设计问题中,为了平衡同时增长的设计自由度和计算复杂度,本文引入超方程曲面来给出结构的参数表示方法;为了满足物理合理性,本文改进广义分解技术以建立更精确的结构参数与性能关联,并综合以上技术给出参数优化设计方法。各向异性结构的丰富性和本文在数值算法上的优化保证了该方法能够获得更优的性能和捕捉更多的物理细节;(3)随机多孔结构的降维参数表示方法和优化设计:针对经典的随机多孔结构描述子在提取速度、捕获多孔结构的几何、结构重建精度和速度等方面的不足,本文提出全新基于PCA的结构参数描述方法,能够在保持随机多孔结构的几何特性下降低设计空间维度。基于这样的结构参数表示方法下,本文给出快速物理性能仿真和参数优化设计方法,该方法具有结构参数与性能的解析关系和收敛的性能优化算法,能够在保持物理精度的同时,提高计算效率。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.4
【图文】：
其呈现的超常物理性质多次入选《Ｓｃｉｅｎｃｅ》年度十大科技进展，如：左手材料［２］、逡逑隐身衣［３］等。通过多孔结构可以改变光、声波、电磁波等走向，使得隐身等神话逡逑中的技术最近也具有了实现的可能：如图１．１中的超声学材料示例。逡逑充分利用多孔结构的优势，突破传统设计局限，一直是材料学家、生物学家、逡逑工程学家等研宄者长期以来的迫切追求［４，５】。最初，研宄者们主要采用实验手段，逡逑制备各种多孔结构，如基于模板技术的溶胶－凝胶法［８］、水热法［７］等。而近年来，逡逑随着三维打印技术的迅猛发展，多孔结构的精准制备逐渐成为可能［８］，使得设计不逡逑再受制于多孔结构的复杂性，大大扩展了多孔材料设计空间。逡逑受此驱动，在计算辅助设计／工程、计算机图形学等领域，研宄者们也开始探逡逑索多孔结构的精准数字化设计方法和理论，旨在充分结合领域内快速发展的实体逡逑建模、工程仿真以及设计优化技术
结构决定了制造工艺的选取，决定了材料的性质性能表现。其中最为核心的是逡逑“三链模型”（Ｔｈｒｅｅ－ｌｉｎｋ邋ｃｈａｉｎｍｏｄｅｌ）材料设计框架，如下图１．２所示．基于结构逡逑决定属性的实践体验及理论研宄，该框架首次明确指出了工艺、结构、性质、性逡逑能四大工业属性的整体关系，以及它们在材料设计体系中的位置。逡逑正问题：原因（Ｃａｕｓｅ）／效果（Ｅｆｆｅｃｔ）逡逑＾逦题：目标（Ｇｏａｌ）／方法（Ｍｅａｎｓ）逡逑产品设计逡逑图１．２材料设计的基本框架逡逑图１．２清晰地表明了此四大模块之间如何关联并构成一个整体：制造工艺影逡逑３逡逑
材料的微结构主要通过使用邋ＳＥＭ／ＴＥＭ邋（Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ邋／逡逑Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等电子显微镜扫描材料的样本切片来捕获。如逡逑图１．３，硅藻土在ＳＥＭ下的形貌和孔结构：逡逑图１．３邋ＳＥＭ显微镜成像下硅藻土的形貌和孔结构［３］逡逑虽然成像技术己经非常成熟并被广泛应用，但是如何选取切片样本依然是个逡逑难题。为了指导样本的选择，众多学者提出微结构的代表体积元（ＲＶＥ：逡逑Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｅｌｅｍｅｎｔ）的概念［９，１３，１４］，即一个面积（或体积）最小的样本切逡逑片的微结构，同时代表材料的整体结构。然而，科学界却无法给出一个对ＲＶＥ的逡逑６逡逑
本文编号：2791698
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.4
【图文】：
其呈现的超常物理性质多次入选《Ｓｃｉｅｎｃｅ》年度十大科技进展，如：左手材料［２］、逡逑隐身衣［３］等。通过多孔结构可以改变光、声波、电磁波等走向，使得隐身等神话逡逑中的技术最近也具有了实现的可能：如图１．１中的超声学材料示例。逡逑充分利用多孔结构的优势，突破传统设计局限，一直是材料学家、生物学家、逡逑工程学家等研宄者长期以来的迫切追求［４，５】。最初，研宄者们主要采用实验手段，逡逑制备各种多孔结构，如基于模板技术的溶胶－凝胶法［８］、水热法［７］等。而近年来，逡逑随着三维打印技术的迅猛发展，多孔结构的精准制备逐渐成为可能［８］，使得设计不逡逑再受制于多孔结构的复杂性，大大扩展了多孔材料设计空间。逡逑受此驱动，在计算辅助设计／工程、计算机图形学等领域，研宄者们也开始探逡逑索多孔结构的精准数字化设计方法和理论，旨在充分结合领域内快速发展的实体逡逑建模、工程仿真以及设计优化技术
结构决定了制造工艺的选取，决定了材料的性质性能表现。其中最为核心的是逡逑“三链模型”（Ｔｈｒｅｅ－ｌｉｎｋ邋ｃｈａｉｎｍｏｄｅｌ）材料设计框架，如下图１．２所示．基于结构逡逑决定属性的实践体验及理论研宄，该框架首次明确指出了工艺、结构、性质、性逡逑能四大工业属性的整体关系，以及它们在材料设计体系中的位置。逡逑正问题：原因（Ｃａｕｓｅ）／效果（Ｅｆｆｅｃｔ）逡逑＾逦题：目标（Ｇｏａｌ）／方法（Ｍｅａｎｓ）逡逑产品设计逡逑图１．２材料设计的基本框架逡逑图１．２清晰地表明了此四大模块之间如何关联并构成一个整体：制造工艺影逡逑３逡逑
材料的微结构主要通过使用邋ＳＥＭ／ＴＥＭ邋（Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ邋／逡逑Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等电子显微镜扫描材料的样本切片来捕获。如逡逑图１．３，硅藻土在ＳＥＭ下的形貌和孔结构：逡逑图１．３邋ＳＥＭ显微镜成像下硅藻土的形貌和孔结构［３］逡逑虽然成像技术己经非常成熟并被广泛应用，但是如何选取切片样本依然是个逡逑难题。为了指导样本的选择，众多学者提出微结构的代表体积元（ＲＶＥ：逡逑Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｅｌｅｍｅｎｔ）的概念［９，１３，１４］，即一个面积（或体积）最小的样本切逡逑片的微结构，同时代表材料的整体结构。然而，科学界却无法给出一个对ＲＶＥ的逡逑６逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 赵思阳;张卫华;周激流;;基于多重流形嵌入的局部线性嵌入与等距映射面部表情估计方法[J];计算机应用;2016年S2期
本文编号：2791698
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