非自然机械性能材料结构的复杂网络模拟与设计方法研究

发布时间：2017-05-21 12:28

  本文关键词：非自然机械性能材料结构的复杂网络模拟与设计方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现代制造业对产品的性能要求越来越高,尤其是在机械工程和航空航天领域,而某些性能需求超出了自然界所能提供的范围,由单一材料构成的产品已无法满足严苛的工作环境对材料的应用需求。因此,研发新的具有非自然机械性能的特殊材料成为工程领域亟待解决的问题。非自然机械性能材料(Non-natural Mechanical Properties Material,简称NMP)作为新型材料,凭借其可设计性和优良特殊性能的特点受到关注并迅速发展。非自然机械性能材料不能简单视为一种材料,它具有传统常规材料所不具备的非自然机械性能,其本质上是结构物。因此,针对这种材料的结构设计需要不同于常规材料的设计理念,材料与结构的一体化设计是有效发挥其综合优势的最佳途径。复杂网络理论研究的兴起,为网络科学与材料科学交叉领域的研究引入了新的内涵,为先进复合材料的设计注入了新的驱动力。其中一个重要研究方向,就是以材料组成颗粒为探针,探索材料内部颗粒间的相互作用网络,在微观结构层次上研究材料的拓扑结构与宏观性能之间的作用规律。论文将复杂网络理论应用于材料的微观结构设计,寻求解决非自然机械性能材料设计中一些关键技术问题的新思路和方法,探索性的采用复杂网络理论研究材料与结构的一体化设计方法。论文将非自然机械性能材料结构视为一种人工复杂系统,以工程领域中非自然机械性能材料的微观结构设计为研究内容,重点从复杂系统的网络化建模方法、网络结构的拓扑特性和复杂系统微观结构与宏观特性之间关系方面展开研究。完成的研究工作主要包括：(1)利用复杂网络相关理论,针对非自然机械性能材料微观结构,建立描述材料微观拓扑结构的结构网络模型。采用元结构方法进行非自然机械性能材料结构的设计分析。以负泊松比这种典型的非自然机械性能为例,基于复杂网络的自相似性提出了元结构的迭代构造过程,分析了元结构的拉胀性能,采用有限元仿真讨论了元结构模型参数对等效泊松比的影响。非自然机械性能材料在微观层次上可视为由不同颗粒组合在一起形成的一种复杂材料,颗粒之间所建立的连接在整个系统中并不是均匀分布的。针对这种材料微观结构的描述问题,将构成材料的颗粒表示为网络中的节点,颗粒间的作用关系表示为节点间的连接边,建立非自然机械性能材料微观结构网络模型。该结构模型不考虑材料颗粒的实际形态,根据颗粒间不同的排列方式构造网络拓扑结构,不同的网络拓扑结构对材料的整体性能发挥着十分重要甚至是决定性的影响。(2)针对元结构参数约束问题,建立参数约束模型,对参数传递结构特性进行实证研究。产品变型设计中元结构之间存在多种参数约束关系,论文提出了元结构参数约束模型的解析方法,分别从无权和加权网络的角度,对参数约束关系网络进行复杂性分析,探讨其传递结构及演化规律；从社团检测的角度通过计算节点的相似度,分析节点之间的结构相似性,采用聚类分析方法实现对模块结构的划分,为产品模块化设计提供理论支持。(3)研究了复杂网络演化博弈相关理论,并应用于非自然机械性能材料结构设计方面,形成新的材料结构设计方法。论文创新性的将复杂网络演化博弈理论引入到非自然机械性能材料的结构设计过程当中,首先以传统的囚徒困境博弈模型为基础,研究在二维规则网络、小世界网络以及无标度网络上的空间演化博弈行为。在传统的囚徒困境博弈中背叛者会占领整个种群,而空间网络结构的引入,可以使得背叛者与合作者共存,甚至整个种群被合作者所占领；种群中合作频率随诱惑因子以及策略更新方式的改变而发生变化。在复杂网络演化博弈的研究基础上,论文提出一种新的基于网络演化博弈的非自然机械性能材料结构博弈模型。使用复杂网络模型分析材料的微观拓扑结构,利用基于混合策略的网络演化博弈来描述材料组分的分布情况,实现非自然机械性能材料的几何属性和材料属性的有机结合,形成新的材料结构设计方法。(4)设计开发了非自然机械性能材料的微观结构设计系统平台。传统的CAD软件系统无法实现对材料分布具有异质性的复合材料实体的描述,针对该问题,论文从几何拓扑信息描述和材料分布信息描述两方面开展新型CAD软件系统的研发工作,利用XML语言设计基于体素的模型文件格式VMF(Voxel Manufacturing File Format), VMF格式能够同时存储模型的几何信息和材料信息,实现了几何模型和材料模型的有机结合；采用体素建模和分层设计思想,开发了非自然机械性能材料结构设计系统NMP Design,该系统可以按照不同材料分别导出与材料对应的模型结构,解决了传统CAD软件导出模型后丢失结构单元材料信息的问题,并实现了与基于FDM工艺的快速原型设备的快速对接。复杂网络理论在非自然机械性能材料设计领域具有良好的应用前景,论文的研究工作不仅丰富了复杂网络理论的研究内容,为复杂网络指导非自然机械性能材料微观结构设计进行了一次有意义的探索；同时为先进复合材料设计和产品制造领域提供新的思路和方法,具有一定的现实意义。
【关键词】：产品结构设计 非自然机械性能材料 复杂网络 元结构 结构与材料一体化设计
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB303;O157.5
【目录】：

• 摘要13-16
• ABSTRACT16-20
• 第1章 绪论20-40
• 1.1 选题背景及意义20-24
• 1.1.1 工程应用背景21-22
• 1.1.2 论背景22-24
• 1.2 国内外研究现状24-35
• 1.2.1 产品设计建模技术发展概况24-26
• 1.2.2 复合材料建模技术发展现状26-30
• 1.2.3 非自然机械性能材料研究现状30-32
• 1.2.4 机械工程领域中的复杂网络32-35
• 1.3 目前存在的问题35-36
• 1.4 研究目标与研究内容36-40
• 1.4.1 研究目标36-37
• 1.4.2 研究内容37-38
• 1.4.3 论文组织安排38-40
• 第2章 复杂网络建模40-60
• 2.1 图论简介40-42
• 2.1.1 哥尼斯堡七桥问题40-41
• 2.1.2 网络描述41-42
• 2.2 网络统计参数42-44
• 2.2.1 平均路径长度42
• 2.2.2 集群系数42
• 2.2.3 度与度分布42-43
• 2.2.4 社团结构43-44
• 2.3 网络演化模型44-53
• 2.3.1 规则网络44-45
• 2.3.2 随机网络45-48
• 2.3.3 小世界网络模型48-51
• 2.3.4 无标度网络模型51-52
• 2.3.5 赋权演化网络模型52-53
• 2.3.6 局域世界演化网络模型53
• 2.4 真实网络研究成果53-59
• 2.4.1 工程领域54
• 2.4.2 信息领域54-55
• 2.4.3 技术领域55-56
• 2.4.4 社会领域56-57
• 2.4.5 生物领域57-58
• 2.4.6 真实网络的统计性质58-59
• 2.5 本章小结59-60
• 第3章 基于元结构的非自然机械性能研究60-74
• 3.1 元结构方法60-61
• 3.2 复杂网络的自相似性与分形61-63
• 3.2.1 Koch曲线61-62
• 3.2.2 Sierpinski三角形62-63
• 3.3 一种非自然机械性能：负泊松比63-66
• 3.3.1 负泊松比的构成机理63-64
• 3.3.2 负泊松比材料的力学性能64-66
• 3.4 基于自相似性的元结构建模方法66-73
• 3.4.1 元结构模型构建66-67
• 3.4.2 元结构模型分析67-69
• 3.4.3 元结构模型参数对等效泊松比的影响69-73
• 3.5 本章小结73-74
• 第4章 复杂网络建模及拓扑分析研究74-112
• 4.1 参数传递网络建模方法75-81
• 4.1.1 参数传递表现形式77
• 4.1.2 现有的参数传递网络创建方法77-78
• 4.1.3 参数调用网络的构造算法78-79
• 4.1.4 系统实现79-81
• 4.2 复杂网络拓扑分析研究81-96
• 4.2.1 无权网络分析82-91
• 4.2.2 加权网络分析91-96
• 4.3 复杂网络社团发现算法研究96-110
• 4.3.1 现有社团发现算法研究96-100
• 4.3.2 基于边划分的加权网络社团发现算法100-104
• 4.3.3 实验结果及分析104-110
• 4.4 本章小结110-112
• 第5章 基于网络演化博弈的NMP结构模型研究112-136
• 5.1 NMP结构设计的网络观112-116
• 5.1.1 NMP的结构特征113-114
• 5.1.2 建立NMP结构模型考虑的因素114
• 5.1.3 NMP结构模型的假设114-115
• 5.1.4 NMP结构网络拓扑关系描述115-116
• 5.2 空间网络演化博弈论116-121
• 5.2.1 博弈论基础116-117
• 5.2.2 复杂网络上的演化博弈117-121
• 5.3 NMP结构博弈模型描述121-124
• 5.3.1 博弈模型建立122
• 5.3.2 混合策略122-124
• 5.3.3 博弈规则及策略更新规则124
• 5.4 基于不同拓扑的NMP结构博弈模型124-129
• 5.4.1 二维晶格网络拓扑模型125-127
• 5.4.2 BA无标度网络拓扑模型127-129
• 5.5 数值分析与讨论129-134
• 5.5.1 算例一132-133
• 5.5.2 算例二133-134
• 5.6 本章小结134-136
• 第6章 非自然机械性能材料结构设计系统研究136-154
• 6.1 NMP设计分析系统NMP Design136-137
• 6.1.1 技术可行性136-137
• 6.1.2 系统框架137
• 6.2 NMP Design系统模块设计137-139
• 6.2.1 主界面设计137-138
• 6.2.2 可视化模块138-139
• 6.3 NMP Design功能模块设计139-146
• 6.3.1 文件解析模块139-143
• 6.3.2 材料模板库配置模块143-144
• 6.3.3 体素建模模块144-146
• 6.4 NMP Design建模实例146-152
• 6.4.1 模型建立146-147
• 6.4.2 模型导入147-148
• 6.4.3 力学分析148-149
• 6.4.4 快速原型试验149-152
• 6.5 本章小结152-154
• 总结与展望154-158
• 参考文献158-172
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与课题172-174
• 致谢174-176
• 外文论文176-194
• 附件194

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 方岱宁;先进复合材料的宏微观力学与强韧化设计:挑战与发展[J];复合材料学报;2000年02期

2 王江涛;杨建梅;;复杂网络的分形研究方法综述[J];复杂系统与复杂性科学;2013年04期

3 王宪杰;张洵安;;多相材料布局及材料/结构一体化设计[J];固体力学学报;2014年04期

4 郭阳;刘展威;赵正旭;;万维网链接结构的复杂性分析[J];计算机工程;2011年23期

5 张志华;封筠;赵正旭;;工程软件格式加权网络的复杂特征分析[J];计算机工程与应用;2011年31期

6 徐燕申,张学玲;基于FEM的机械结构静、动态性能优化设计[J];西南交通大学学报;2003年05期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 孙鹏岗;聚类算法研究及其在网络模块性分析中的应用[D];西安电子科技大学;2011年

2 孙杰;编织复合材料结构与材料一体化优化设计[D];南京航空航天大学;2010年

3 杨睿;理想材料零件数字化设计制造的CAD模型及其数据后处理[D];大连理工大学;2003年

4 张兴朝;基于有限元分析的模块化数控机床结构动态设计研究[D];天津大学;2001年

5 杨青海;大批量定制原理与若干关键技术研究[D];浙江大学;2006年

6 阎军;超轻金属结构与材料性能多尺度分析与协同优化设计[D];大连理工大学;2007年

7 孙士平;材料和结构的拓扑优化关键理论与方法研究[D];西北工业大学;2006年

8 韩定定;复杂网络的拓扑、动力学行为及其实证研究[D];华东师范大学;2008年

9 武志昊;复杂网络中的重叠社团发现问题研究[D];北京交通大学;2013年

10 谌炎辉;复杂机电产品模块化设计若干关键技术及应用研究[D];西安电子科技大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 郭阳;万维网的小世界效应探讨[D];石家庄铁道大学;2011年

2 周北平;复杂网络在软件工程中的应用[D];南京信息工程大学;2008年

3 卢素伟;基于有向加权图的复杂产品生产线性能分析与优化[D];西安电子科技大学;2014年

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本文编号：383680