【摘要】：多孔結(jié)構(gòu)在自然界生物體中廣泛存在,如常見(jiàn)的木頭和骨頭等。研究者發(fā)現(xiàn),正是這些復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)決定了其優(yōu)秀的物理化學(xué)性能,并啟發(fā)了對(duì)工業(yè)多孔材料的研發(fā)。近年來(lái)三維打印技術(shù)的崛起,從根本上解決了復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的制備問(wèn)題,因此如何設(shè)計(jì)滿足特定性能需求的多孔結(jié)構(gòu)成為亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還面臨諸多挑戰(zhàn):幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)有效建模和控制;物理仿真計(jì)算量大,耗時(shí)長(zhǎng);缺乏高效精確的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)這些挑戰(zhàn),本文從基礎(chǔ)的圓孔多孔結(jié)構(gòu)開(kāi)始,逐步探索更廣的設(shè)計(jì)空間到各向異性多孔結(jié)構(gòu)和隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu),分別給出對(duì)應(yīng)的高效參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其中包含多孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)表示方式、快速雙尺度仿真技術(shù)、以及性能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。具體而言,本文的主要研究工作包括:(1)高效的各向同性多孔結(jié)構(gòu)的雙尺度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì):為了更好地耦合各向同性多孔結(jié)構(gòu)的微觀幾何和宏觀物理性能,本文給出基于代表體積元的結(jié)構(gòu)參數(shù)表示方法;為了解決基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的物理仿真難以高效計(jì)算的問(wèn)題,本文引入均一化方法和組合逼近等技術(shù)給出宏觀性能的近似估計(jì)方法,最終將參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題簡(jiǎn)化為易求解的低維優(yōu)化問(wèn)題�；诖�,本文提出能夠保持高效和數(shù)值穩(wěn)定的各向同性多孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;(2)高效的各向異性多孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)表示方法和優(yōu)化設(shè)計(jì):在更為復(fù)雜的各向異性多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題中,為了平衡同時(shí)增長(zhǎng)的設(shè)計(jì)自由度和計(jì)算復(fù)雜度,本文引入超方程曲面來(lái)給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)表示方法;為了滿足物理合理性,本文改進(jìn)廣義分解技術(shù)以建立更精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能關(guān)聯(lián),并綜合以上技術(shù)給出參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。各向異性結(jié)構(gòu)的豐富性和本文在數(shù)值算法上的優(yōu)化保證了該方法能夠獲得更優(yōu)的性能和捕捉更多的物理細(xì)節(jié);(3)隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)的降維參數(shù)表示方法和優(yōu)化設(shè)計(jì):針對(duì)經(jīng)典的隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)描述子在提取速度、捕獲多孔結(jié)構(gòu)的幾何、結(jié)構(gòu)重建精度和速度等方面的不足,本文提出全新基于PCA的結(jié)構(gòu)參數(shù)描述方法,能夠在保持隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)的幾何特性下降低設(shè)計(jì)空間維度。基于這樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)表示方法下,本文給出快速物理性能仿真和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,該方法具有結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能的解析關(guān)系和收斂的性能優(yōu)化算法,能夠在保持物理精度的同時(shí),提高計(jì)算效率。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.4
【圖文】：

其呈現(xiàn)的超常物理性質(zhì)多次入選《Ｓｃｉｅｎｃｅ》年度十大科技進(jìn)展，如：左手材料［２］、逡逑隱身衣［３］等。通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)可以改變光、聲波、電磁波等走向，使得隱身等神話逡逑中的技術(shù)最近也具有了實(shí)現(xiàn)的可能：如圖１．１中的超聲學(xué)材料示例。逡逑充分利用多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)局限，一直是材料學(xué)家、生物學(xué)家、逡逑工程學(xué)家等研宄者長(zhǎng)期以來(lái)的迫切追求［４，５】。最初，研宄者們主要采用實(shí)驗(yàn)手段，逡逑制備各種多孔結(jié)構(gòu)，如基于模板技術(shù)的溶膠－凝膠法［８］、水熱法［７］等。而近年來(lái)，逡逑隨著三維打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)制備逐漸成為可能［８］，使得設(shè)計(jì)不逡逑再受制于多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大大擴(kuò)展了多孔材料設(shè)計(jì)空間。逡逑受此驅(qū)動(dòng)，在計(jì)算輔助設(shè)計(jì)／工程、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域，研宄者們也開(kāi)始探逡逑索多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)數(shù)字化設(shè)計(jì)方法和理論，旨在充分結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)快速發(fā)展的實(shí)體逡逑建模、工程仿真以及設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

結(jié)構(gòu)決定了制造工藝的選取，決定了材料的性質(zhì)性能表現(xiàn)。其中最為核心的是逡逑“三鏈模型”（Ｔｈｒｅｅ－ｌｉｎｋ邋ｃｈａｉｎｍｏｄｅｌ）材料設(shè)計(jì)框架，如下圖１．２所示．基于結(jié)構(gòu)逡逑決定屬性的實(shí)踐體驗(yàn)及理論研宄，該框架首次明確指出了工藝、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、性逡逑能四大工業(yè)屬性的整體關(guān)系，以及它們?cè)诓牧显O(shè)計(jì)體系中的位置。逡逑正問(wèn)題：原因（Ｃａｕｓｅ）／效果（Ｅｆｆｅｃｔ）逡逑＾邐題：目標(biāo)（Ｇｏａｌ）／方法（Ｍｅａｎｓ）逡逑產(chǎn)品設(shè)計(jì)逡逑圖１．２材料設(shè)計(jì)的基本框架逡逑圖１．２清晰地表明了此四大模塊之間如何關(guān)聯(lián)并構(gòu)成一個(gè)整體：制造工藝影逡逑３逡逑

材料的微結(jié)構(gòu)主要通過(guò)使用邋ＳＥＭ／ＴＥＭ邋（Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ邋／逡逑Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等電子顯微鏡掃描材料的樣本切片來(lái)捕獲。如逡逑圖１．３，硅藻土在ＳＥＭ下的形貌和孔結(jié)構(gòu)：逡逑圖１．３邋ＳＥＭ顯微鏡成像下硅藻土的形貌和孔結(jié)構(gòu)［３］逡逑雖然成像技術(shù)己經(jīng)非常成熟并被廣泛應(yīng)用，但是如何選取切片樣本依然是個(gè)逡逑難題。為了指導(dǎo)樣本的選擇，眾多學(xué)者提出微結(jié)構(gòu)的代表體積元（ＲＶＥ：逡逑Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｅｌｅｍｅｎｔ）的概念［９，１３，１４］，即一個(gè)面積（或體積）最小的樣本切逡逑片的微結(jié)構(gòu)，同時(shí)代表材料的整體結(jié)構(gòu)。然而，科學(xué)界卻無(wú)法給出一個(gè)對(duì)ＲＶＥ的逡逑６逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 趙思陽(yáng);張衛(wèi)華;周激流;;基于多重流形嵌入的局部線性嵌入與等距映射面部表情估計(jì)方法[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2016年S2期

本文編號(hào)：2791698