非自然機(jī)械性能材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模擬與設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品的性能要求越來(lái)越高，尤其是在機(jī)械工程和航空航天領(lǐng)域，而某些性能需求超出了自然界所能提供的范圍，由單一材料構(gòu)成的產(chǎn)品已無(wú)法滿足嚴(yán)苛的工作環(huán)境對(duì)材料的應(yīng)用需求。因此，研發(fā)新的具有非自然機(jī)械性能的特殊材料成為工程領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。
　　非自然機(jī)械性能材料(Non-natural Mechanical Properties Material，簡(jiǎn)稱NMP)作為新型材料，憑借其可設(shè)計(jì)性和優(yōu)良特殊性能的特點(diǎn)受到關(guān)注并迅速發(fā)展。

2、非自然機(jī)械性能材料不能簡(jiǎn)單視為一種材料，它具有傳統(tǒng)常規(guī)材料所不具備的非自然機(jī)械性能，其本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)物。因此，針對(duì)這種材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要不同于常規(guī)材料的設(shè)計(jì)理念，材料與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)是有效發(fā)揮其綜合優(yōu)勢(shì)的最佳途徑。
　　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究的興起，為網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與材料科學(xué)交叉領(lǐng)域的研究引入了新的內(nèi)涵，為先進(jìn)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)注入了新的驅(qū)動(dòng)力。其中一個(gè)重要研究方向，就是以材料組成顆粒為探針，探索材料內(nèi)部顆粒間的相互作用網(wǎng)絡(luò)，在微觀結(jié)構(gòu)層次上研究

3、材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的作用規(guī)律。
　　論文將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尋求解決非自然機(jī)械性能材料設(shè)計(jì)中一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的新思路和方法，探索性的采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究材料與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)方法。論文將非自然機(jī)械性能材料結(jié)構(gòu)視為一種人工復(fù)雜系統(tǒng)，以工程領(lǐng)域中非自然機(jī)械性能材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)從復(fù)雜系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化建模方法、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮匦院蛷?fù)雜系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間關(guān)系方面展開(kāi)研究。完成的研究工作主要

4、包括:
　　(1)利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論，針對(duì)非自然機(jī)械性能材料微觀結(jié)構(gòu)，建立描述材料微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。
　　采用元結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行非自然機(jī)械性能材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析。以負(fù)泊松比這種典型的非自然機(jī)械性能為例，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的自相似性提出了元結(jié)構(gòu)的迭代構(gòu)造過(guò)程，分析了元結(jié)構(gòu)的拉脹性能，采用有限元仿真討論了元結(jié)構(gòu)模型參數(shù)對(duì)等效泊松比的影響。
　　非自然機(jī)械性能材料在微觀層次上可視為由不同顆粒組合在一起形成的一種復(fù)雜材料，顆

5、粒之間所建立的連接在整個(gè)系統(tǒng)中并不是均勻分布的。針對(duì)這種材料微觀結(jié)構(gòu)的描述問(wèn)題，將構(gòu)成材料的顆粒表示為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，顆粒間的作用關(guān)系表示為節(jié)點(diǎn)間的連接邊，建立非自然機(jī)械性能材料微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。該結(jié)構(gòu)模型不考慮材料顆粒的實(shí)際形態(tài)，根據(jù)顆粒間不同的排列方式構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)材料的整體性能發(fā)揮著十分重要甚至是決定性的影響。
　　(2)針對(duì)元結(jié)構(gòu)參數(shù)約束問(wèn)題，建立參數(shù)約束模型，對(duì)參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行實(shí)證研究。

6、　　產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)中元結(jié)構(gòu)之間存在多種參數(shù)約束關(guān)系，論文提出了元結(jié)構(gòu)參數(shù)約束模型的解析方法，分別從無(wú)權(quán)和加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的角度，對(duì)參數(shù)約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)雜性分析，探討其傳遞結(jié)構(gòu)及演化規(guī)律;從社團(tuán)檢測(cè)的角度通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的相似度，分析節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)相似性，采用聚類分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊結(jié)構(gòu)的劃分，為產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)提供理論支持。
　　(3)研究了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化博弈相關(guān)理論，并應(yīng)用于非自然機(jī)械性能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，形成新的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
　　論

7、文創(chuàng)新性的將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化博弈理論引入到非自然機(jī)械性能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，首先以傳統(tǒng)的囚徒困境博弈模型為基礎(chǔ)，研究在二維規(guī)則網(wǎng)絡(luò)、小世界網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)上的空間演化博弈行為。在傳統(tǒng)的囚徒困境博弈中背叛者會(huì)占領(lǐng)整個(gè)種群，而空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的引入，可以使得背叛者與合作者共存，甚至整個(gè)種群被合作者所占領(lǐng);種群中合作頻率隨誘惑因子以及策略更新方式的改變而發(fā)生變化。
　　在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化博弈的研究基礎(chǔ)上，論文提出一種新的基于網(wǎng)絡(luò)演化博弈的非自

8、然機(jī)械性能材料結(jié)構(gòu)博弈模型。使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型分析材料的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用基于混合策略的網(wǎng)絡(luò)演化博弈來(lái)描述材料組分的分布情況，實(shí)現(xiàn)非自然機(jī)械性能材料的幾何屬性和材料屬性的有機(jī)結(jié)合，形成新的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
　　(4)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了非自然機(jī)械性能材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)。
　　傳統(tǒng)的CAD軟件系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)材料分布具有異質(zhì)性的復(fù)合材料實(shí)體的描述，針對(duì)該問(wèn)題，論文從幾何拓?fù)湫畔⒚枋龊筒牧戏植夹畔⒚枋鰞煞矫骈_(kāi)展新型CAD軟件系統(tǒng)的研

9、發(fā)工作，利用XML語(yǔ)言設(shè)計(jì)基于體素的模型文件格式VMF(Voxel Manufacturing File Format)，VMF格式能夠同時(shí)存儲(chǔ)模型的幾何信息和材料信息，實(shí)現(xiàn)了幾何模型和材料模型的有機(jī)結(jié)合;采用體素建模和分層設(shè)計(jì)思想，開(kāi)發(fā)了非自然機(jī)械性能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)NMP Design，該系統(tǒng)可以按照不同材料分別導(dǎo)出與材料對(duì)應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)CAD軟件導(dǎo)出模型后丟失結(jié)構(gòu)單元材料信息的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了與基于FDM工藝的快速原型設(shè)備