2024年4月，熊猫体育教師李祖宇博士在《自然》子刊Nature Communications發表題為“基於多層策略與拓撲優化生成的極高剛度超材料”（Ultrastiff metamaterials generated through a multilayer strategy and topology optimization）的研究論文💶。這一研究成果以輕質點陣工程結構為研究對象🦶🏻，提出了一種結合多層嵌套策略與拓撲優化方法的殼系微結構設計框架，優化設計得到了一系列具有極高剛度的新型點陣超材料。
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由不同類型幾何組件所形成的超材料往往具有不同的力學性質✌🏼，如桿系、梁系、板系⚄、殼系的點陣超材料在不同方面各有優點。為充分探索各結構組件類型的潛力，該研究提出一種結合多層嵌套策略與拓撲優化方法的點陣超材料設計技術：以三周期極小曲面為基礎對象🤾🏽，通過殼體的多層嵌套，實現設計空間的擴展🦛、設計自由度的增加、設計可能性的多樣化，進一步結合水平集拓撲優化方法，對多層殼系的周期性微結構進行輕量化😎，最終由計算機自動與理性地尋優設計得到如圖1所示的一系列梁-板-殼混合體系的點陣超材料📷。
圖1殼系點陣微結構的多層嵌套策略與拓撲優化原理
該研究采用增材製造技術加工製備出相應的點陣超材料，並以有限元數值仿真與樣品物理測試相結合的方式，驗證與分析了這一系列超材料所具有的極高剛度與良好吸能性。同時👨🏻🦼📳，在研發具有可調節剛度與聲🏈、電、流等多物理場特性的新型超材料方面♦︎，該研究中所提出的設計框架表現出巨大的應用潛力🧞♀️。
圖2優化設計所得超材料的剛度與強度性能
作者介紹：
熊猫体育自動化學院李祖宇博士🛺、清華大學航天航空學院杜建镔副教授為論文的共同通訊作者，清華大學航天航空學院博士研究生劉洋為論文的第一作者。論文合作者還包括清華大學博士研究生王永楨、任宏塬、陳雪乾，新加坡南洋理工大學王一凡副教授🧙♂️、孟誌強博士🏊🏻，美國西北大學陳衛院士、王力為博士👶🏽。
撰稿：李祖宇 審稿：任紅衛 簽發：高誌英
