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深度學習助力增材制造梯度力學超材料逆向設(shè)計

閱讀：1137 發(fā)布時間：2022-11-22

由于其特異的宏微觀基元拓撲構(gòu)型，力學超材料在剛度、韌性、減隔振和熱膨脹等性能方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)均質(zhì)材料，受到了航空航天、生物醫(yī)學、電子電路和土木工程等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。生物體經(jīng)過長期進化形成的各類器官，與超材料的概念相契合，即通過多層級微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超常物理力學特性，同時生物器官的微結(jié)構(gòu)基元還呈現(xiàn)出梯度漸變、長程無序等特征。目前，針對力學超材料發(fā)展的拓撲優(yōu)化方法和機器學習設(shè)計方法，主要面向周期性結(jié)構(gòu)，對于仿生梯度超材料的逆向設(shè)計和優(yōu)化，缺乏高效率、高保真的計算分析方法。

圖1深度神經(jīng)多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)多屬性胞元的定制總體思路框圖

近期，來自北京理工大學的研究者們提出了一種加速梯度力學超材料逆向設(shè)計的深度學習方法。發(fā)展了一種由對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GAN)、性能預(yù)測網(wǎng)絡(luò)(PPN)和結(jié)構(gòu)生成網(wǎng)絡(luò)(SGN)組成的多重網(wǎng)絡(luò)深度學習框架，如圖1所示，可實現(xiàn)力學性能參數(shù)和拓撲構(gòu)型的快速雙向映射。基于此深度學習框架，將各向異性材料楊氏模量、剪切模量和泊松比組成的屬性空間，類比于R-G-B色彩空間，進而將梯度力學超材料逆向設(shè)計轉(zhuǎn)換為色彩匹配問題。利用HTL樹脂3D打印（NanoArch S140，摩方精密）制備了超材料結(jié)構(gòu)樣件，采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法驗證了逆向設(shè)計的有效性。相關(guān)成果以“A Deep Learning Approach for Reverse Design of Gradient Mechanical Metamaterials”為題發(fā)表在《International Journal of Mechanical Sciences》期刊。

圖2 周期性超材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和泊松比應(yīng)變曲線，其中左側(cè)插圖為3D打印試件，右側(cè)插圖為有限元分析模型。（a）正泊松比結(jié)構(gòu)。（b）零泊松比結(jié)構(gòu)。（c）負泊松比結(jié)構(gòu)；

該研究中，首先基于拓撲優(yōu)化方法得到了不同楊氏模量E、泊松比υ和剪切模量G的超材料胞元，并建立對應(yīng)的屬性空間作為數(shù)據(jù)樣本。隨后，基于Keras平臺搭建了具備三個卷積解碼/編碼網(wǎng)絡(luò)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能評估、結(jié)構(gòu)補充與結(jié)構(gòu)生成。基于拓撲優(yōu)化樣本實現(xiàn)PPN網(wǎng)絡(luò)的離線訓練，同時結(jié)合隨機結(jié)構(gòu)訓練GAN網(wǎng)絡(luò)以補充胞元屬性空間。最后，基于屬性空間擴充后的樣本進一步訓練SGN網(wǎng)絡(luò)，對于任意的力學參數(shù)目標，均可在0.01秒內(nèi)給出胞元構(gòu)型，實現(xiàn)了多屬性胞元的快速逆向設(shè)計。針對優(yōu)化設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的特定屬性結(jié)構(gòu)進行3D打?。ㄈ鐖D2所示），并開展DIC壓縮試驗表征了其模量與泊松比，驗證了算法的準確性和有效性。

圖3 相鄰胞元結(jié)構(gòu)連通性的實現(xiàn)：（a）單元邊界的定義和連接的分類（具有不同顏色的結(jié)構(gòu)表示不同的屬性）；（b）SGN網(wǎng)絡(luò)調(diào)整初始設(shè)計；（c）經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)匹配得到的最終結(jié)構(gòu)。

在超材料胞元快速逆向設(shè)計的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了一種結(jié)構(gòu)像素化方法，通過結(jié)構(gòu)的E-υ-G屬性與R-G-B通道一一映射，將結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)化為像素數(shù)據(jù)庫。首先基于像素匹配的方式生成滿足宏觀屬性需求的初始設(shè)計，隨后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的連通性要求進一步優(yōu)化胞元結(jié)構(gòu)，保證宏觀結(jié)構(gòu)的可制造性，如圖3所示。研究者們以髖關(guān)節(jié)假體為例，開展了梯度超材料結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計。如圖4所示，髖關(guān)節(jié)假體在人體中主要承受非軸向載荷，如果嵌入骨骼中的部分發(fā)生彎曲，受到彎曲拉應(yīng)力作用的一側(cè)，將牽引其上附著的骨組織，誘發(fā)組織損傷。模仿實際骨骼的力學屬性分布特征，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在不同位置自動排列模量與泊松比梯度變化的超材料胞元（圖5），從而調(diào)整了宏觀結(jié)構(gòu)的變形模式，使髖關(guān)節(jié)植入結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，均保持在壓應(yīng)力狀態(tài)，解決了假體界面失效的問題。計算模型基于圍繞假體的凹槽，用于模擬假體插入骨骼,固定凹槽的底端并在假體的頂部施加非對稱壓縮載荷。同時他們還建立了一個多材料模型，每個晶胞區(qū)域代表一種材料，材料性質(zhì)與超材料模型中相同位置的晶胞的E-G-υ一致。兩種模型的水平位移計算結(jié)果如圖5f所示，槽左側(cè)的位移為負，而右側(cè)的位移為正，這表明假體兩側(cè)的界面被均勻擠壓。假體與骨牢固結(jié)合，有效防止界面破壞，梯度結(jié)構(gòu)具有完.美的連接狀態(tài)，類似于超材料模型的設(shè)計目標。超材料模型和多材料模型的計算結(jié)果高度一致，證實了他們提出的超材料設(shè)計方法的準確性，這種有效的連接策略在滿足增材制造要求的同時實現(xiàn)了與多材料設(shè)計相同的性能。

圖4 人體髖關(guān)節(jié)假體的受力狀態(tài)。（從外到內(nèi)為皮膚、髖骨和假體。假體受到不對稱軸向壓縮力作用，中間的粉紅色區(qū)域被選為目標設(shè)計區(qū)域。）

圖5 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)梯度模量/泊松比髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計：（a）具有生物相似結(jié)構(gòu)的梯度模量分布；（b）受變形模式啟發(fā)的泊松比分布；（c）疊加后的最終力學性能分布；（d）GSN網(wǎng)絡(luò)在像素匹配后調(diào)整結(jié)構(gòu)；（e）滿足目標模量和泊松比設(shè)計要求的超材料髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。（f）模擬假體受載的位移云圖，等效多材料模型（上）和超材料模型（下）。

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