调控温度场和位移场的多功能耦合超材料及其设计方法

本公开的实施例涉及超材料设计，具体地，涉及适用于一种调控温度场和位移场的多功能耦合超材料及其设计方法。

背景技术：

1、近年来，随着人工设计超材料结构的发展，超材料在很多领域都取得了卓越的发展，根据其功能不同可以被划分电磁超材料、力学超材料、热学超材料及声学超材料。不难发现，超材料的设计局限于单一功能，对于多物理场耦合的多功能超材料结构的设计方法还不够成熟，尤其是对于设计热学和力学超材料的多功能耦合超材料，这主要是由于基于坐标变换无法获得位移场调控的刚度矩阵。

2、热流和应变位移调控无论是在航空航天还是军事侦察领域都有着重要的研究价值，例如，通过合理控制热流和变形位移，不仅可以实现对重要军事设备而且可以在受到变形破坏的情况下保护核心区域；基于多功能超材料的定向热传导和定向变形，可以在太空环境下实现对太阳辐射和微重力变形下的调控，从而实现对脆弱部件的保护。因此，实现温度场和位移场的耦合调控成为超材料领域亟待解决的关键问题，目前对于温度场和位移场同时调控还没有相关研究。

技术实现思路

1、本文中描述的实施例提供了一种调控温度场和位移场的多功能耦合超材料及其设计方法，克服了上述问题。

2、第一方面，根据本公开的内容，提供了一种调控温度场和位移场的多功能耦合超材料设计方法，包括：

3、对目标空间区域进行离散化处理，得到功能区、变化区和背景区，所述目标空间区域用于描述几何空间区域，所述功能区包括：热集中区域或热隐身区域，所述变化区用于控制所述温度场的热流变化和所述位移场的作用力变化，所述功能区、所述变化区以及所述背景区均采用多个空间单元组成，每个所述空间单元均对应有一组多物理场初始参数；

4、对每个所述空间单元对应的多物理场初始参数进行参数优化，得到每个所述空间单元对应的多物理场优化参数；

5、基于两种具有各向同性物理属性的材料构建拓扑复合材料数据库，所述拓扑复合材料数据库中包括多种复合材料结构，每种所述复合材料结构均具有各向异性物理属性，每种所述复合材料结构对应有一组多物理场等效张量；

6、基于每个所述空间单元对应的多物理场优化参数和每种所述复合材料结构对应的多物理场等效张量，构建用于调控所述温度场和所述位移场的多功能耦合超材料，以通过所述多功能耦合超材料对所述温度场和所述位移场进行同时调控。

7、可选的，所述对目标空间区域进行离散化处理，得到功能区、变化区和背景区，包括：

8、获取功能闭合曲线和变化闭合曲线，所述功能闭合曲线和所述变化闭合曲线互为非共形闭合曲线，所述变化闭合曲线包含所述功能闭合曲线；

9、基于所述功能闭合曲线和变化闭合曲线，将所述目标空间区域进行离散化分割，得到所述功能区、所述变化区和所述背景区；

10、其中，所述功能闭合曲线中包括的区域为所述功能区，处于所述功能闭合曲线之外且所述变化闭合曲线之内的区域为所述变化区，所述目标空间区域中非所述功能区且非所述变化区的区域为所述背景区。

11、可选的，所述对每个所述空间单元对应的多物理场初始参数进行参数优化，得到每个所述空间单元对应的多物理场优化参数，包括：

12、采用贝叶斯优化算法，依次对每个所述空间单元对应的多物理场初始参数进行参数优化，得到每个所述空间单元对应的多物理场优化参数；

13、其中，所述空间单元对应的多物理场初始参数与所述空间单元在所述目标空间区域中所处的位置坐标相关联。

14、可选的，所述基于两种具有各向同性物理属性的材料构建拓扑复合材料数据库，包括：

15、基于两种具有各向同性物理属性的材料构建多种复合材料结构，每种所述复合材料结构中包括的两种具有各向同性物理属性的材料的所处位置不固定，且由两种具有各向同性物理属性的材料处于不同位置时所得到的所述复合材料结构不为轴对称结构；

16、基于所述复合材料结构中包括的两种具有各向同性物理属性的材料的相对位置状态，确定所述复合材料结构对应的多物理场等效张量，得到所述拓扑复合材料数据库。

17、可选的，所述多物理场优化参数包括：导热系数优化分量和刚度矩阵优化分量，所述多物理场等效张量包括：等效导热系数张量和等效刚度张量；

18、所述基于每个所述空间单元对应的多物理场优化参数和每种所述复合材料结构对应的多物理场等效张量，构建用于调控所述温度场和所述位移场的多功能耦合超材料，包括：

19、依次匹配每个所述空间单元对应的所述导热系数优化分量与每种所述复合材料结构对应的所述等效导热系数张量，以及匹配每个所述空间单元对应的所述刚度矩阵优化分量与每种所述复合材料结构对应的所述等效刚度张量；

20、确定最优匹配度对应的复合材料结构为相应空间单元对应的填充结构，所述最优匹配度基于每个所述空间单元对应的所述导热系数优化分量与每种所述复合材料结构对应的所述等效导热系数张量的匹配结果，以及每个所述空间单元对应的所述刚度矩阵优化分量与每种所述复合材料结构对应的所述等效刚度张量的匹配结果确定得出；

21、基于所述填充结构对应的材料属性填充相应空间单元，得到用于调控所述温度场和所述位移场的多功能耦合超材料。

22、可选的，每个所述空间单元对应的所述导热系数优化分量的数量为3个，每个所述空间单元对应的所述刚度矩阵优化分量的数量为6个；

23、每种所述复合材料结构对应的所述等效导热系数张量包含3个等效导热系数分量，每种所述复合材料结构对应的所述等效刚度张量包含3个等效刚度分量。

24、第二方面，根据本公开的内容，提供了一种调控温度场和位移场的多功能耦合超材料，采用第一方面所述的调控温度场和位移场的多功能耦合超材料设计方法制备得出，其特征在于，包括：

25、材料功能区、材料变换区和材料背景区，所述材料变换区包含所述材料功能区，所述材料功能区的形状曲线和所述材料变换区的形状曲线互为非共形闭合曲线，所述材料功能区为热集中区域或热隐身区域，所述材料变换区用于控制所述温度场的热流变化和所述位移场的作用力变化；

26、其中，所述材料功能区、所述材料变换区和所述材料背景区均由多个空间单元构成，每个所述空间单元由一种复合材料结构组成，每种所述复合材料结构对应的热力耦合张量不同，所述热力耦合张量包括：3个导热系数分量和6个刚度矩阵分量。

27、本技术实施例提供的用于调控温度场和位移场的多功能耦合超材料设计方法，通过对目标空间区域进行离散化处理，得到功能区、变化区和背景区，目标空间区域用于描述几何空间区域，功能区包括：热集中区域或热隐身区域，变化区用于控制温度场的热流变化和位移场的作用力变化，功能区、变化区以及背景区均采用多个空间单元组成，每个空间单元均对应有一组多物理场初始参数；对每个空间单元对应的多物理场初始参数进行参数优化，得到每个空间单元对应的多物理场优化参数；基于两种具有各向同性物理属性的材料构建拓扑复合材料数据库，拓扑复合材料数据库中包括多种复合材料结构，每种复合材料结构均具有各向异性物理属性，每种复合材料结构对应有一组多物理场等效张量；基于每个空间单元对应的多物理场优化参数和每种复合材料结构对应的多物理场等效张量，构建用于调控温度场和位移场的多功能耦合超材料，以通过多功能耦合超材料对温度场和位移场进行同时调控。如此，通过构建出能够同时控制热流变化和场作用力变化的多功能耦合超材料，有效实现温度场和位移场的同时调控，使得温度场和位移场进行调控时无需采用不同调控载体，节省调控载体数量。

28、上述说明仅是本技术实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。