一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法

1.本技术涉及热超构材料技术领域，特别地，涉及一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法。


背景技术：

2.热超构材料是一类具有传统自然材料不具备的超常热物理属性的新型材料。由于其特殊性能主要由结构构型决定，所以被称为“超构”材料。2008年热超构材料的概念首次被提出，2012年以热隐身斗篷的形式得到了实验验证。由于其中蕴含着巨大的潜在应用价值，热超构材料的研究引起了国际同行的广泛关注。热超构材料的典型应用包括热隐身、热集中和热旋转等器件，在航空航天、能源、电子等领域都有重要价值。
3.热超构材料的主要设计方法包括散热抵消和变换热学两种思想。散热抵消的方法的灵活性较低，只适合设计比较简单和规则形状的热超构器件。变换热学方法设计灵活度较高，但是其设计得到的热超构材料热导率分布不均匀，通常是各向异性的，难以加工制备。为了得到可制备的复杂热超构器件，结构拓扑优化的方法逐渐被应用于热超构材料的设计中。
4.现有的多尺度热超构材料设计方法基于逆均匀化方法，在采用变换热学获取得到热超构材料热导率分布场后，逐点通过逆均匀化的方法得到各个离散点处的微结构构型并进行组装，实现多尺度热超构材料设计，然而该方法并不能保证单胞之间的连通性，部分微结构交界的区域材料有连通，然而也有多处交界并未连通，而微结构不连通会破坏整体结构的性能，也降低了结构的可制造性。


技术实现要素：

5.本技术的实施例提供了一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，用于解决现有多尺度热超构材料设计方法所得的多尺度热超构材料整体结构存在连通性和可制造性低的技术问题。
6.本技术采用的技术方案如下：
7.一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，包括步骤：
8.s1、选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；
9.s2、根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度；
10.s3、通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；
11.s4、构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；
12.s5、逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；
13.s6、结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。
14.进一步地，所述步骤s1具体包括步骤：
15.s11、定义高一维的水平集函数α(x)，所述水平集函数α(x)的切割数学表达式可以描述为：
[0016][0017]
其中，x为设计域d中任意一点的坐标，ω为微结构域，为微结构边界，d\ω指无材料的空白区域，h指切割高度，c(x,h)代表切割面且c(x,h)＝h,-1≤h≤1；
[0018]
s12、通过控制水平集函数α(x)切割面的切割高度来获取梯度变化的点阵结构构型。
[0019]
进一步地，所述步骤s3具体包括步骤：
[0020]
s31、采用数值均匀化方法，获得点阵结构的等效热传导系数表达式：
[0021][0022]
其中，i和j分别为张量分量的指标符号，|d
de
|为设计单元de的体积，k
lm
为局部变化的热传导系数，为预设的温度梯度场，为响应的温度梯度场；
[0023]
s32、通过有限元方法对所述点阵结构的等效热传导系数表达式进行求解，获取等效热传导系数
[0024]
进一步地，所述步骤s4具体包括步骤：
[0025]
s41、建立均匀化热传导系数和相对密度ρ之间的映射关系；
[0026]
s42、以合适离散分辨率对[0,1]之间的相对密度ρ进行采样，获取一族点阵结构样本；
[0027]
s43、对每个点阵结构样本进行均匀化计算获取对应的均匀化热传导系数
[0028]
s44、对点阵结构样本进行插值拟合获取代理模型。
[0029]
进一步地，所述步骤s5中的优化列式为：
[0030]
[0031]
其中，x为设计变量，n为粗网格单元个数，优化目标为最小化结构的总材料使用量，即材料体积，p指热载荷，t指有限元求解的温度场结果，k为粗网格尺度的整体传热矩阵，为结构的均匀化等效传热矩阵，g描述目标传热矩阵和等效传热矩阵差异的大小，f为自定的度量函数，根据需要定义。
[0032]
进一步地，所述步骤s5中对优化列式进行迭代求解时采用mma算法。
[0033]
本技术另一方面提供了一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计装置，包括：
[0034]
点阵结构选定模块，用于选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；
[0035]
相对密度采样模块，用于根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度；
[0036]
等效热传导系数计算模块，用于通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；
[0037]
代理模型构建模块，用于构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；
[0038]
逆均匀化设计模块，用于逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；
[0039]
重构及后处理模块，用于结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。
[0040]
本技术另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法的步骤。
[0041]
本技术另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法的步骤。
[0042]
相比现有技术，本技术具有以下有益效果：
[0043]
本技术提供了种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，包括步骤：s1、选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；s2、根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度；s3、通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；s4、构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；s5、逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；s6、结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。
[0044]
本技术相比现有方案，由于在传统单尺度方案中，为了获得边界清晰光滑，可制造
的结构拓扑，需要尽量提高结构的离散分辨率，并且采取合适的数值处理方法来消除中间密度单元。然而在这种情况下，微结构边界处材料可能较少，宏观不同位置处不同的目标热传导张量优化得到的微结构构型差异较明显，连通性难以确保。本方案采用功能梯度设计的思想，采用功能梯度的多尺度微结构替代传统方法中的单尺度微结构，允许中间密度的存在，并且不要求清晰的宏观拓扑结构，即不要求高宏观网格离散分辨率。因此，在达到设计目标的同时显著提升了整体结构的连通性和可制造性，可以直接采用增材制造工艺打印。
[0045]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本技术作进一步详细的说明。
附图说明
[0046]
图1是本技术优选实施例的功能梯度多尺度热超构材料设计方法流程示意图。
[0047]
图2为9种典型的二维点阵结构原型示意图。
[0048]
图3是本技术优选实施例中不同切割高度上获取梯度点阵结构的示意图。
[0049]
图4为本技术优选实施例中采样及拟合结果示意图，其中：
[0050]
图4(a)为所选类型微结构根据相对密度离散采样获取的梯度构型示意图。
[0051]
图4(b)为所选类型梯度微结构对应水平集函数切割高度根据相对密度离散采样结果及拟合曲线示意图。
[0052]
图4(c)为所选类型梯度微结构对应均匀化热传导系数矩阵内元素1根据相对密度离散采样结果及拟合曲线示意图。
[0053]
图4(d)为所选类型梯度微结构对应均匀化热传导系数矩阵内元素2根据相对密度离散采样结果及拟合曲线示意图。
[0054]
图5是本技术优选实施例的功能梯度点阵单胞设计示例示意图。
[0055]
图6为传统设计方法的效果示意图。
[0056]
图7是本技术优选实施例的设计方法效果对比示意图。
[0057]
图8是本技术优选实施例的功能梯度多尺度热超构材料设计装置模块示意图。
[0058]
图9是本技术优选实施例的电子设备实体示意框图。
[0059]
图10是本技术优选实施例的计算机设备的内部结构示意图。
具体实施方式
[0060]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0061]
参照图1，本技术的优选实施例提供了一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，包括步骤：
[0062]
s1、选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构，如图2所示，具有9种类型的点阵结构；
[0063]
s2、根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，可以获取不同体积分数(即材料体积相对结构设计域的体积占比，变化范围为0-1)的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度，以图2中的类型(2)为
例，可得到如图3所示的不同切割高度上获取梯度点阵结构；
[0064]
s3、通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；
[0065]
s4、构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；
[0066]
s5、逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；
[0067]
s6、结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。
[0068]
本实施例提供了种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，功能梯度多尺度微结构的基本设计思想是将设计域分为粗细网格两个层级进行离散，每个粗网格单元对应一种功能梯度点阵单胞，由水平集函数切割的方法获得，包括步骤：s1、选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；s2、根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度；s3、通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；s4、构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；s5、逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；s6、结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。
[0069]
本实施例相比现有方案，由于在传统单尺度方案中，为了获得边界清晰光滑，可制造的结构拓扑，需要尽量提高结构的离散分辨率，并且采取合适的数值处理方法来消除中间密度单元。然而在这种情况下，微结构边界处材料可能较少，宏观不同位置处不同的目标热传导张量优化得到的微结构构型差异较明显，连通性难以确保。本方案采用功能梯度设计的思想，采用功能梯度的多尺度微结构替代传统方法中的单尺度微结构，允许中间密度的存在，并且不要求清晰的宏观拓扑结构，即不要求高宏观网格离散分辨率。因此，在达到设计目标的同时显著提升了整体结构的连通性和可制造性，可以直接采用增材制造工艺打印。
[0070]
优选地，所述步骤s1具体包括步骤：
[0071]
s11、定义高一维的水平集函数α(x)，所述水平集函数α(x)的切割数学表达式可以描述为：
[0072][0073]
其中，x为设计域d中任意一点的坐标，ω为微结构域，为微结构边界，d\ω指无材料的空白区域，h指切割高度，c(x,h)代表切割面且c(x,h)＝h,-1≤h≤1；
[0074]
s12、通过控制水平集函数α(x)切割面的切割高度来获取梯度变化的点阵结构构型。
[0075]
传统的水平集方法是保持切割面固定，通过更新水平集函数来实现结构演变。本
申请所采用的思路则是给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构构型。这是一种经典的获取梯度变化点阵结构的方法，即获取一族形状相似，几何尺寸和性能渐变的点阵结构构型，在采样阶段，仅考虑简单情形，切割面定义为：
[0076]
c(x,h)＝h,-1≤h≤1
[0077]
于是我们可以通过定义不同的水平集函数α(x)来获取不同样式的微结构原型，二维范例如图2所示。
[0078]
本实施例采用水平集函数切割的方案可以高效地获取梯度渐变的微结构构型，并且可以通过改变水平集函数的方式自由灵活地获取多样类型的功能梯度微结构原型。
[0079]
优选地，所述步骤s3具体包括步骤：
[0080]
s31、采用数值均匀化方法，获得点阵结构的等效热传导系数表达式：
[0081][0082]
其中，i和j分别为张量分量的指标符号，|d
de
|为设计单元de的体积，k
lm
为局部变化的热传导系数，为预设的温度梯度场，为响应的温度梯度场；
[0083]
s32、通过有限元方法对所述点阵结构的等效热传导系数表达式进行求解，获取等效热传导系数
[0084]
本实施例中，数值均匀化方法理论基础严谨，针对功能梯度结构计算精度较高，信息在不同尺度之间单向传递，计算过程简单，有利于建立对应的结构构型-等效热传导系数矩阵数据库，并建立对应代理模型。
[0085]
优选地，所述步骤s4具体包括步骤：
[0086]
s41、建立均匀化热传导系数和相对密度ρ之间的映射关系；
[0087]
s42、以合适离散分辨率对[0,1]之间的相对密度ρ进行采样，获取一族点阵结构样本；
[0088]
s43、对每个点阵结构样本进行均匀化计算获取对应的均匀化热传导系数基于离散的数据，通过多项式拟合的方式，建立均匀化热传导系数和相对密度ρ之间的映射：
[0089][0090][0091]
其中，k
11
和k
22
分别代指均匀化等效热传导张量主对角线处的两个分量，y＝1,2；d0是预定的多项式阶次，p是对应的多项式系数；
[0092]
s44、对点阵结构样本进行插值拟合获取代理模型。
[0093]
以2中的类型(2)为例，我们以[0,0.05,0.1，...，0.90,0.95,1]的离散分辨率进行采样，从而获取了21个构型样本，分别进行均匀化计算获取对应的21组均匀化热传导系数再对样本进行插值拟合获取代理模型，结果如图4(a)-4(d)所示。
[0094]
优选地，所述步骤s5中的优化列式为：
[0095][0096]
其中，x为设计变量，n为粗网格单元个数，优化目标为最小化结构的总材料使用量，即材料体积，p指热载荷，t指有限元求解的温度场结果，k为粗网格尺度的整体传热矩阵，为结构的均匀化等效传热矩阵，g描述目标传热矩阵和等效传热矩阵差异的大小，f为自定的度量函数，根据需要定义。
[0097]
优选地，所述步骤s5中对优化列式进行迭代求解时采用mma算法(移动渐近线法，the method of moving asymptotes)。
[0098]
图5展示了功能梯度点阵单胞设计示例。输入某个目标的传热矩阵k
output
，就可以采用本技术提出的方案设计出等效传热矩阵kh接近k
output
的多尺度功能梯度点阵结构。可以看出，这种功能梯度多尺度热超构材料不要求太高的粗网格离散分辨率，也不需要消除中间密度单元，就可以获得性能接近效果良好的设计。
[0099]
最后，图6展示了一个简单设计案例，采用传统方法进行设计，可以看出，单胞之间多处难以连通，这样组合结构的性能会大打折扣，结构可制造性也比较差。作为对照，图7使用本技术提出的方案进行了相同的设计，在材料总体积相近，结果kh逼近k
output
效果良好的同时，组装结构有良好的连通性，在进行结构后处理之后，组装结构的连通性优势进一步提升，整体结构可制造性得到保障，可以直接采用增材制造方法加工制造。
[0100]
如图8所示，本技术另一优选实施例提供了一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计装置，包括：
[0101]
点阵结构选定模块，用于选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；
[0102]
相对密度采样模块，用于根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度；
[0103]
等效热传导系数计算模块，用于通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；
[0104]
代理模型构建模块，用于构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；
[0105]
逆均匀化设计模块，用于逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；
[0106]
重构及后处理模块，用于结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。
[0107]
如图9所示，本技术的优选实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例中的面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法的步骤。
[0108]
如图10所示，本技术的优选实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端或活体检测服务器，其内部结构图可以如图10所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的其他计算机设备通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法的步骤。
[0109]
本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0110]
本技术的优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行上述实施例中的面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法的步骤。
[0111]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0112]
本实施例方法所述功能若以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0113]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0114]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0115]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0116]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0117]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0118]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，其特征在于，包括步骤：s1、选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；s2、根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度；s3、通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；s4、构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；s5、逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；s6、结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。2.根据权利要求1所述的面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括步骤：s11、定义高一维的水平集函数α(x)，所述水平集函数α(x)的切割数学表达式可以描述为：其中，x为设计域d中任意一点的坐标，ω为微结构域，为微结构边界，d\ω指无材料的空白区域，h指切割高度，c(x,h)代表切割面且c(x,h)＝h,-1≤h≤1；s12、通过控制水平集函数α(x)切割面的切割高度来获取梯度变化的点阵结构构型。3.根据权利要求2所述的面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括步骤：s31、采用数值均匀化方法，获得点阵结构的等效热传导系数表达式：其中，i和j分别为张量分量的指标符号，|d
de
|为设计单元de的体积，k
lm
为局部变化的热传导系数，为预设的温度梯度场，为响应的温度梯度场；s32、通过有限元方法对所述点阵结构的等效热传导系数表达式进行求解，获取等效热传导系数4.根据权利要求3所述的面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括步骤：s41、建立均匀化热传导系数和相对密度ρ之间的映射关系；s42、以合适离散分辨率对[0,1]之间的相对密度ρ进行采样，获取一族点阵结构样本；s43、对每个点阵结构样本进行均匀化计算获取对应的均匀化热传导系数s44、对点阵结构样本进行插值拟合获取代理模型。
5.根据权利要求4所述的面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，其特征在于，所述步骤s5中的优化列式为：其中，x为设计变量，n为粗网格单元个数，优化目标为最小化结构的总材料使用量，即材料体积，p指热载荷，t指有限元求解的温度场结果，k为粗网格尺度的整体传热矩阵，为结构的均匀化等效传热矩阵，g描述目标传热矩阵和等效传热矩阵差异的大小，f为自定的度量函数，根据需要定义。6.根据权利要求5所述的面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，其特征在于，所述步骤s5中对优化列式进行迭代求解时采用mma算法。7.一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计装置，其特征在于，包括：点阵结构选定模块，用于选定点阵结构，给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；相对密度采样模块，用于根据相对密度采样，通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，所述体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量：相对密度；等效热传导系数计算模块，用于通过有限元方法计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；代理模型构建模块，用于构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；逆均匀化设计模块，用于逆均匀化设计，将粗网格单元的相对密度作为设计变量，代理模型作为材料本构构建优化列式后进行迭代求解，获取粗网格尺度的相对密度场分布；重构及后处理模块，用于结果重构和后处理，把每个粗网格单元转换为对应的点阵结构后进行平滑处理。8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6中任一项所述面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法的步骤。9.一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其特征在于，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行1至6中任一项所述面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法的步骤。

技术总结
本申请公开了一种面向增材制造的功能梯度多尺度热超构材料设计方法，包括步骤：S1、给定水平集函数，通过控制切割面切割高度来获取梯度变化的点阵结构；S2、通过选择不同高度的切割面，获取不同体积分数的梯度点阵结构，体积分数即为点阵结构中的粗网格中每个设计单元的连续设计变量；S3、计算样本均匀化热传导系数矩阵，获取点阵结构构型的等效热传导系数；S4、构建代理模型，根据按设定离散分辨率对相对密度进行采样后获取的多个点阵结构样本的均匀化热传导系数获取代理模型；S5、逆均匀化设计，获取粗网格尺度的相对密度场分布；S6、结果重构和后处理。本申请提升了整体结构的连通性和可制造性，可直接采用增材制造工艺打印。印。印。


技术研发人员：霍森林 都柄晓 赵勇 杜一雨 盛纪 石友安 盛涛
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/12