二维手性超材料的拓扑优化设计及其膨胀-剪切与剪切-剪切耦合性能研究

这篇研究论文创新性地提出了一种多目标拓扑优化(TO)方法，用于设计具有特定膨胀-剪切和剪切-剪切耦合性能的二维手性超材料。该方法突破传统预设单元构型的限制，通过引入C2和C4对称约束，结合应变能均质化技术优化弹性刚度矩阵，实现了不依赖特定微观结构的机械耦合性能调控，为手性功能材料设计提供了新范式。

　　

Highlight

近期基于微极弹性的本构模型已针对不同材料对称类型的2D/3D手性超材料建立（如Bahaloo等，2019；Scheibner等，2020）。与这些需要微观旋转度量的模型不同，本研究基于胡克定律设计了体积变形模式（如图1所示）...

Topology optimization model

拓扑优化(TO)通过在设计域内迭代调整材料分布，为在既定约束下探索最优材料布局提供了高效途径（如Bends?e，1989；Sigmund，2001）。虽然TO已广泛用于最大化体模量和剪切模量的材料设计，但本研究创新性地...

Numerical examples

采用第3节开发的拓扑优化方法，以最大化膨胀-剪切耦合和剪切-剪切耦合为目标优化手性超材料。选用边长为L的正方形设计域作为单胞，将其离散为边长为l的均匀网格...

Conclusions

本研究提出的新型TO方法成功设计了具有优化机械耦合性能的2D手性超材料。与传统依赖预设手性单元构型的方法不同，本方法无需对单胞构型进行任何预先假设...