负泊松比超材料因其在受拉时横向膨胀、受压时横向收缩的反常力学行为,在航空航天、生物医疗和柔性电子等领域具有重要应用潜力。然而,现有研究多集中于二维或三维各向同性设计,难以满足实际工程中对材料方向相关性的需求。本文提出一...负泊松比超材料因其在受拉时横向膨胀、受压时横向收缩的反常力学行为,在航空航天、生物医疗和柔性电子等领域具有重要应用潜力。然而,现有研究多集中于二维或三维各向同性设计,难以满足实际工程中对材料方向相关性的需求。本文提出一种基于密度法的三维正交各向异性负泊松比超材料拓扑优化设计方法,通过构建新的多目标优化函数,结合均质化理论,实现单胞结构在3个正交方向上的负泊松比性能。首先,基于SIMP(solid isotropic material with penalization)材料插值模型,引入几何约束条件,在确保优化单胞对称性的同时有效减少计算规模;其次,通过惩罚函数建立了新的目标函数及优化模型;最后,利用周期性边界条件下的有限元均质化方法,计算等效力学性能,并通过灵敏度分析驱动设计变量更新。数值算例表明,优化后的单胞在3个主方向上均实现了负泊松比性能。本研究为三维正交各向异性拉胀超材料的可控制备提供了理论依据,扩展了机械超材料的设计和应用范围。展开更多
激光干涉空间天线LISA(laser interferometer space antenna)作为空间引力波探测任务装备,其结构的轻量化设计是重要问题之一。基于子模型分析技术,采用固体各向同性材料惩罚(SIMP)模型插值变密度法,对LISA中肘杆机构的上下肘杆进行了...激光干涉空间天线LISA(laser interferometer space antenna)作为空间引力波探测任务装备,其结构的轻量化设计是重要问题之一。基于子模型分析技术,采用固体各向同性材料惩罚(SIMP)模型插值变密度法,对LISA中肘杆机构的上下肘杆进行了拓扑优化设计;将肘杆的应力作为约束条件,并以肘杆结构的柔度最小化和质量最小化为优化目标,构建肘杆拓扑优化的数学模型,得到了肘杆构件的最优拓扑结构。优化后的上下肘杆质量分别降低了41.89%和32.31%,且优化后的肘杆机构应力和位移均满足设计要求,为进一步设计和实验研究提供参考。展开更多
文摘负泊松比超材料因其在受拉时横向膨胀、受压时横向收缩的反常力学行为,在航空航天、生物医疗和柔性电子等领域具有重要应用潜力。然而,现有研究多集中于二维或三维各向同性设计,难以满足实际工程中对材料方向相关性的需求。本文提出一种基于密度法的三维正交各向异性负泊松比超材料拓扑优化设计方法,通过构建新的多目标优化函数,结合均质化理论,实现单胞结构在3个正交方向上的负泊松比性能。首先,基于SIMP(solid isotropic material with penalization)材料插值模型,引入几何约束条件,在确保优化单胞对称性的同时有效减少计算规模;其次,通过惩罚函数建立了新的目标函数及优化模型;最后,利用周期性边界条件下的有限元均质化方法,计算等效力学性能,并通过灵敏度分析驱动设计变量更新。数值算例表明,优化后的单胞在3个主方向上均实现了负泊松比性能。本研究为三维正交各向异性拉胀超材料的可控制备提供了理论依据,扩展了机械超材料的设计和应用范围。
文摘激光干涉空间天线LISA(laser interferometer space antenna)作为空间引力波探测任务装备,其结构的轻量化设计是重要问题之一。基于子模型分析技术,采用固体各向同性材料惩罚(SIMP)模型插值变密度法,对LISA中肘杆机构的上下肘杆进行了拓扑优化设计;将肘杆的应力作为约束条件,并以肘杆结构的柔度最小化和质量最小化为优化目标,构建肘杆拓扑优化的数学模型,得到了肘杆构件的最优拓扑结构。优化后的上下肘杆质量分别降低了41.89%和32.31%,且优化后的肘杆机构应力和位移均满足设计要求,为进一步设计和实验研究提供参考。
