三维周期点阵材料的标准化描述方法

【作者】 亓歌； 田际靖； 郑怀亮； 刘晨曦； 马力；

【机构】 江苏大学； 哈尔滨工程大学； 哈尔滨工业大学；

【摘要】 兼具轻质与优异力学性能的先进材料与结构是航空航天、交通运输、土木建筑、生物医疗等工程领域永恒的研究重点。三维周期点阵材料将结构拓扑与材料性能有机结合,具有高比刚度、高比强度以及无与伦比的可设计性,是国际公认的新一代轻质超强韧材料。近年来,增材制造技术与人工智能的迅猛发展进一步拓展了三维周期点阵材料的设计空间,涌现以机械超材料为代表的众多新型三维周期点阵材料。尽管如此,目前仍缺少对于三维周期点阵材料的标准化定义方法,仅是根据其单胞拓扑特征进行非严谨性描述,不利于深入探索三维周期点阵材料的设计空间,极大地限制其发展与工程应用。为应对这一挑战,本文提出一种三维周期点阵材料的标准化描述方法,建立规范描述符与其力学性能的对应关系,并以此构建三维周期点阵材料数据库,为其工程应用奠定基础。首先,根据三维周期点阵材料的基本组成元素与特征,建立包含其拓扑、几何、空间排列及材料属性信息的描述矩阵;其次,根据其结构要求给出三维周期点阵材料描述矩阵的定量特征;再次,进一步规范描述矩阵的构成方式,证明该描述符的唯一性和完备性;然后,建立标准描述符与三维周期点阵材料等效刚度的对应关系;最后,实现具备不同拓扑构型、几何尺寸、材料属性的三维周期点阵材料的快速生成与力学性能预报,形成包含10000组三维周期点阵材料的数据库。本文的研究对三维周期点阵材料的基础定义与设计理论提供了新的诠释,有利于拓展三维周期点阵材料的设计空间,尤其对通过人工智能方法设计轻质、高强韧的先进材料具有重要的指导意义。更多还原