《超材料微結構構形與參數的無格線最佳化設計》是依託湖南大學，由龍述堯擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超材料微結構構形與參數的無格線最佳化設計
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：龍述堯
- 依託單位：湖南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。本申請項目將利用無格線拓撲最佳化方法對顆粒複合材料型超材料周期分布的微結構元胞的構形進行拓撲最佳化；在得到微結構元胞的構形後，對元胞構形中的基體和顆粒的成分、體積分數、以及顆粒的形狀、尺寸進行最佳化；然後再對某些物理參數，如等效介電常數、等效磁導率、折射率、頻頻寬、諧振頻率、能量損耗等進行最佳化。利用無格線拓撲最佳化方法對光子晶體型超材料周期分布的微結構元胞的構形進行拓撲最佳化；在得到微結構元胞的構形後，對元胞構形中的電介質排布形式、尺寸、所占體積分數，或對所打孔洞形狀、尺寸、缺陷形狀和尺寸等幾何參數進行最佳化；然後再對某些物理參數，如等效介電常數、等效磁導率、折射率、頻頻寬、諧振頻率、能量損耗等進行最佳化。通過最佳化，設計出性能穩定、頻帶較寬以及損耗較低的具有左手特性的顆粒複合材料型和光子晶體型超材料。
結題摘要
首先研究了將顆粒複合材料型超材料進行均勻化，然後對均勻化顆粒複合材料型超材料的連續介質結構利用無單元伽遼金法進行拓撲最佳化；在無單元伽遼金法拓撲最佳化中，將高斯積分點的相對密度作為設計變數，以重量最小為目標函式，利用罰插值的固體各向同性微結構方法進行位移約束的拓撲最佳化，推導了拓撲變數和位移約束之間的顯式近似函式，並基於伴隨函式方法推導了目標函式的靈敏度。數值算例表明：無單元伽遼金法能夠有效和可靠地對複合材料型超材料均勻化後的連續介質結構進行拓撲最佳化。研究了具有各種泊松比包括負泊松比的泡沫材料在抗碰撞衝擊中的最佳化和以各種泊松比的泡沫材料為填充材料的薄壁管的抗碰撞衝擊中的最佳化，數值結果表明：1.在抗碰撞衝擊中，對於方形和圓形薄壁管，泡沫材料的最優泊松比為-0.62；對於錐形管大約為-0.6。負泊松比的泡沫材料是一種典型的超材料，也就是說負泊松比的泡沫超材料抗碰撞衝擊性能最好。2.在抗碰撞衝擊中，以負泊松比泡沫為填充材料的各種薄壁管中，錐形管抗碰撞衝擊性能最優，圓形管其次，方形管最差。研究了利用無格線拓撲最佳化方法設計金屬磁性顆粒複合型超材料。將金屬磁性顆粒摻入絕緣基體中，研究周期性金屬磁性顆粒複合型超材料的一個微胞元，以金屬磁性組分的磁化方向角及其體積組分數為目標函式，利用無格線拓撲最佳化方法進行最佳化，預計可以得到在鐵磁共振頻率附近的頻率區域內，電磁波傳播渦流損失最低的金屬磁性顆粒複合型超材料的構型。
