清華新聞網(wǎng)4月9日電 超材料的概念最初源于電磁領(lǐng)域，人們將人工設(shè)計(jì)的用于調(diào)控電波極化的材料稱為電磁超材料。隨后這一概念逐漸拓展到其他多個(gè)領(lǐng)域，如聲學(xué)超材料、光學(xué)超材料、熱學(xué)超材料等。力學(xué)超材料是指人工設(shè)計(jì)具有特定微觀結(jié)構(gòu)、介觀連接以及宏觀布局的材料。傳統(tǒng)的材料概念上側(cè)重于組成成分，而力學(xué)超材料更側(cè)重于結(jié)構(gòu)，有時(shí)也稱力學(xué)超結(jié)構(gòu)。不同于自然界已有的材料，經(jīng)過特定設(shè)計(jì)的力學(xué)超材料通常具有獨(dú)特的性質(zhì)和超凡的性能，展現(xiàn)出廣闊的工程應(yīng)用前景。
近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院杜建鑌課題組取得了力學(xué)超材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究的重要進(jìn)展。力學(xué)超材料的研究已經(jīng)取得了許多前沿進(jìn)展，但基于曲殼結(jié)構(gòu)形式的殼系力學(xué)超材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)目前尚處于相對(duì)空白的狀態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)基于極小曲面提出了一種多層嵌套混合策略，擴(kuò)大和多元化設(shè)計(jì)空間，使得力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)更加靈活，也更具有潛在的優(yōu)越性能；拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的引入則將極小曲面超材料設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單參數(shù)空間拓展到更加自由的構(gòu)型空間，有利于對(duì)超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)一步挖潛。數(shù)值仿真結(jié)果表明，從多層殼模型出發(fā)，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后，超材料單胞的優(yōu)化結(jié)果可以自動(dòng)形成梁、板、殼形式的綜合體結(jié)構(gòu)，并能獲得逼近理論極限的材料剛度，物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致。
圖1.用于殼系點(diǎn)陣超材料的多層策略和拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式
基于所獲得的殼系點(diǎn)陣超材料，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了材料的吸能性能。研究結(jié)果表明，得益于點(diǎn)陣超材料的超高剛度，點(diǎn)陣在沖擊荷載下，材料基本達(dá)到處處屈服，進(jìn)入塑性變形，材料得到充分利用，相比于原始未優(yōu)化模型，在同等質(zhì)量下，優(yōu)化結(jié)果的吸能效果最高可獲得136%的提升。另外，多層策略和拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合也給點(diǎn)陣設(shè)計(jì)帶來了一系列可調(diào)控維度，如單胞形狀、厚度、多材料、面積分?jǐn)?shù)、層數(shù)以及多層布局等。研究結(jié)果表明通過力學(xué)調(diào)控，可獲得具有各向同性的點(diǎn)陣材料，以及具有功能梯度的點(diǎn)陣材料。此外，該研究還探討了多物理問題的應(yīng)用。在用于聲學(xué)調(diào)控時(shí)，多層策略可以創(chuàng)建一系列空腔，從而使聲學(xué)調(diào)控更加自由，這對(duì)設(shè)計(jì)具有吸聲降噪等特性的聲學(xué)超材料具有重要意義；在討論電場(chǎng)調(diào)控時(shí)，多層策略可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的電場(chǎng)控制或屏蔽，這在設(shè)計(jì)固態(tài)電池的電極時(shí)具有重要意義；在探討流固耦合問題中，多層結(jié)構(gòu)可以改變流體流動(dòng)方式，為流場(chǎng)調(diào)控提供了一個(gè)新的方式，特別是在氣動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中，如軟體機(jī)器人的氣動(dòng)柔性觸手等，多層策略為氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。
圖2.多層策略和拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的力學(xué)性能對(duì)比
相關(guān)研究成果以“基于多層策略和拓?fù)鋬?yōu)化生成的超剛性力學(xué)超材料”（Ultrastiff metamaterials generated through a multilayer strategy and topology optimization）為題，于4月6日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院2020級(jí)博士生劉洋為論文的第一作者，清華大學(xué)航天航空學(xué)院副教授杜建鑌為論文的通訊作者。合作者包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士生王永楨、任宏塬、陳雪乾，新加坡南洋理工大學(xué)副教授王一凡和孟志強(qiáng)博士，廣東石油化工學(xué)院副教授李祖宇，美國(guó)西北大學(xué)教授陳衛(wèi)和王力為博士。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://link.springer.com/article/10.1038/s41467-024-47089-8
供稿：航天航空學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
