供稿人:孟子捷 贺健康 发布日期：2018-09-01
增材制造技术可以制造出具有复杂内部结构的材料，这些比它们的基材料表现出更广泛的体积特性的工程材料，通常被称为超材料。具有特殊性能的超材料有许多应用，但超材料结构设计却是非常困难的，通常是由手工试错完成的。Desai Chen等学者提出了一种自动发现具有极端宏观性能的超材料族的计算方法。利用有效的模拟和采样技术，计算了物理可实现超材料覆盖的力学性能空间。然后，将具有共同拓扑结构的超材料聚集成一族。从族中提取参数化模板，以产生最终的新的超材料设计。他们在文章中展示了计算设计机械超材料的能力，并展示了找到的5个具有极端弹性材料性能的负泊松比超材料族。
如图1所示，Desai Chen等人通过四步的软件流程，以数据驱动的方式找到这些模板。
图1 发现极端超材料族的计算流程
系统以一组基材料作为输入，输出参数超材料模板。通过将基于体素的超材料表示转化为参数形状，可以得到任意分辨率的结构。这样就可以产生符合所选制造方法的分辨率的超材料。这些新产生的结构能够实现物理性质的最佳权衡。该研究的目标是了解使结构工作的共同机制，从而使人们能够利用这些机制来创造新的结构。
首先，建立了一个涵盖材料参数范围的超材料数据库。把可实现的材料参数范围定义为材料性质范围。然后，在现有的材料性质范围附近，选择了一个这个范围边界附近具有相似材料特性的超材料子集。通过算法分析了这些结构之间的几何相似性。由于许多不同的结构都能实现相似的性质，因此根据它们的几何特征将它们分成几个族。该算法一旦分离了这些族，就会提取它们的拓扑结构，形成模板。这些模板揭示了每个族内部微观结构的基本共同结构。它们还可以通过少量的参数调整来产生新的结构。为了在材料性质范围边界附近建立新的结构(即几乎极端的性质)，Desai Chen等用回归方法计算出改变模板参数的方向。系统的最终输出是一组由简化的参数控制的用于生成新的独立于边界的结构的模板。
图2 材料性能范围超材料模板抽样覆盖
该研究展示了一种将离散采样、连续优化和降维方法结合起来的计算方法，用于自动发现新的超材料族和机械结构，这些新的结构设计和机制很难人工实现。发现的结构适合增材制造，因为它们避免了薄型特征，并将变形分布在梁上，结构的性质也跨越了广泛的剪切模量，使工程师能够在不同的宏观性能之间取得平衡。本案例研究的重点是弹性材料的性能，但该技术还可以应用于其他物理特性，如力学、热、光、声平衡等超材料结构的自动化设计。