学术前沿 | All-in-One：微晶格超材料中声-机械多功能性的交织双相策略

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-12-25 09:00

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集噪声吸收、高刚度和各向同性弹性于一体的多功能材料越来越受到一体化应用的追捧。然而，传统的微晶格超材料（无论是桁架、壳还是板）通常只在一种特性上表现出色，并且由于结构限制而难以兼顾所有特性。在此，这项工作提出了一个新的加法概念——通过交织不同的晶格结构来同时增强微晶格的吸声和弹性特性。交织设计策略首先分析特定结构，引入加固结构来分区空气域，补偿局部刚度缺陷，并提高结构完整性。作为概念验证，重点是使用八位字节桁架作为原始阶段，使用定制的桁架作为加固阶段。该方法支持高度可定制的几何配置，利用机器学习和多目标优化来实现卓越的多功能性能。实验结果表明，这些优化的微晶格克服了传统的物理限制，同时实现了宽带吸声、高刚度和弹性各向同性。宽带吸收源于微调的过阻尼谐振响应，而卓越的弹性性能则归因于高效的负载传递和互补配置。这项工作揭示了创新多功能材料的开创性设计范式。

本研究介绍了一种相互交织的双相策略来设计一种新型的最佳多功能微晶格超材料，它具有优越的吸声性、高刚度和各向同性弹性。作为概念的证明，传统的八字节桁架作为原始阶段，而通过空间拓扑分析引入加固阶段，以创建交织设计。这种策略有利于创建高度可定制的几何配置，从而实现了机器学习和多目标优化的有效集成，以提高微晶格的多功能性能。优化后的微晶格表现出显著的增强，将声吸收曲线从0.5以下的水平转变为0.5以上的宽带状态，刚度增加了67%，等差减少了358%以上。驱动这些增强的潜在机制包括在复杂的颈腔配置中形成一个过阻尼的共振系统，促进有效的声音耗散，并通过互补的空间刚度分布促进有效的负载转移。通过克服传统微晶格的结构约束，该策略适用于各种结构形式，包括桁架、壳体和板的结构构型。从本质上讲，相互交织的双阶段策略不仅显著增强了个体功能，而且还展示了结构共生如何跨多个领域释放卓越的最佳性能，为高性能解决方案铺平道路，以满足不断发展的现代工程挑战铺平道路。

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