跨尺度多材质复合结构超材料优化设计理论与方法研究

Aiming at the multi-means multi-target and multi-performance requirements in the current implementations and applications of metamaterials, physical mechanisms and optimization algorithms combined simulation methods are adopted to solve the optimization design problems of cross-scale multi-material composite-structure metamaterials. The research will be carried out from three aspects: the construction of the physical model, the coding and optimization algorithm, and the realization of the metamaterial optimization design platform. By this way, the problems from the present stage of the optimization design process, such as low efficiency, poor search results, coding redundancy and so on, will be solved. Through this project, we will reveal the influence mechanism and the properties of the composite structure induced by interface and size effects of the heterogeneous materials, perfect coding and transformation method based on specific topological structure, and establish a parallel multi-thread with hybrid algorithm for multi-objective optimization and its coordination mechanism. As the results, the structure-function integration design theory and method system aimed at applications will be developed, establishing the methodology foundation for the optimization design of metamaterials based on 3D printing technology, as well as the versatility and design ability in engineering applications.

针对目前超材料在实现和应用中所面临的多手段、多目标、多性能需求，采用物理机制与优化算法相结合进行模拟仿真的方法，解决跨尺度、多材质、复合结构超材料的优化设计问题。拟从物理模型构建、编码和优化算法、超材料优化设计平台实现三个方面开展研究，解决现阶段超材料优化设计过程中遇到的诸如设计效率低下、寻优效果差、编码冗余度大等迫切问题。通过本项目的研究，将揭示异质材料的界面与尺寸效应对复合结构性能的影响机理，完善基于特定拓扑构型的材料基因编码和变换方法，建立用于多目标优化的并行多线程杂化算法及其协调机制。可望形成面向应用需求的结构-功能一体化设计理论与方法体系，为基于3D打印技术的超材料优化设计、以及实现在工程化应用中的可通用性和可设计性奠定方法论基础。

该项目针对目前超材料在实现和应用中所面临的多手段、多目标、多性能需求，采用物理机制与优化算法相结合进行模拟仿真的方法，解决跨尺度、多材质、复合结构超材料的优化设计问题。从物理模型构建、编码和优化算法、超材料优化设计平台实现三个方面开展研究，解决现阶段超材料优化设计过程中遇到的诸如设计效率低下、寻优效果差、编码冗余度大等迫切问题，项目内容是申请人早期研究工作的延续。为进一步深化超材料优化设计研究，推动其在工程化应用方面的进程，申请人提出了该立项申请，并成功立项（2017.01-2020.12）。 .通过本项目的研究，揭示异质材料的界面与尺寸效应对复合结构性能的影响机理，完善基于特定拓扑构型的材料基因编码和变换方法，建立用于多目标优化的并行多线程杂化算法及其协调机制。形成面向应用需求的结构-功能一体化设计理论与方法，基于PCB设计、3D打印、等离子喷涂技术的超材料优化设计、以及实现在工程化应用中的可通用性和可设计性奠定方法论基础。经过四年的工作，先后在以下方面取得关键技术的突破：1、建立基于多物理机制的超材料实现理论与模型；2、基于应用需求建立多材质复合结构超材料设计理论与方法；3、提出优化设计算法和方法并通过开发软件联合仿真系统实现；4、运用超材料设计理论与方法实现多个工程化应用案例。.该项目结题之后，项目组继续坚持跨尺度多材质复合结构材料优化技术研究，其中超材料优化设计一体化联合仿真平台已在多个工程化应用案例中得以应用和证实。后续，项目组将在：1、超材料优化设计一体化联合仿真平台仍需进一步完善；2、利用多种工艺制备多材质复合结构超材料的设计思路有待进一步拓宽；3、人工智能和优化算法有待进一度探索；方面，进一步开展深入研究。