一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法及其制备方法，涉及拓扑优化计算方法，方案为：检测吸波材料电磁参数和结构参数，转换结构参数为二进制编码；输入电磁参数和编码；仿真，取得反射衰减与波频率曲线，记为原始种群个体适应度；对编码用遗传算法运算，生成新二进制编码，记为子代种群；重复上述步骤得到新曲线，记为子代种群个体适应度；比较原始种群个体适应度和子代种群对应个体适应度；选择合适个体，在把这些个体数据组成新原始种群，重复上述步骤，直到原始种群和子代种群适应度没变化为止，得到结构优化的宽频超材料吸波体结构。利用本发明专利技术方法涉及的超材料，比原有的吸波剂和超材料，有效带宽扩大一倍左右。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法及其制备方法
本专利技术涉及拓扑优化计算方法及材料制备方法，具体涉及一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法及其制备方法。
技术介绍
在现代化的战争中，确保相关武器的隐身或者探索和发现目标的能力，越来越成为取得胜利的关键因素。在海湾战争中，美军凭借F117隐身飞机多次出动，以极低的代价取得极大战果，重新定义了现代战争。这促使世界各国加大对吸波隐身材料的研发力度。近几年，在国防需求和社会应用潜力的推动下，我国开始重视吸波材料的研究，并取得了一定的成果。国内广大科研工作者对常见的吸波材料，如铁氧体、炭黑、陶瓷类、磁性金属微粉等均进行了系统的研究，并研制出一批有应用前景的吸波材料，在X和Ku波段表现出出色的吸波性能。但是传统的吸波材料存在以下几个方面的缺陷：(1)涂层厚度大，一般在2mm以上时，吸波涂层才能发挥理想的吸波效果；(2)吸收频带窄，吸波性能不够强大，通常达到-10dB的有效吸收波段仅有4-6GHz，难以广泛应用；(3)吸收剂密度大，工程应用性能差等。为了克服天然材料性能的缺点，科学家们已研发出许多不同种类的人工材料，具有天然材料所不具备的特征，而这些材料有望成为未来工业技术和新型设备的基础。1968年苏联科学家Veselago首次提出设计一种负折射率超材料的构想。但是由于当时工艺条件，没有能力实现。经过三十多年的发展Pendry首次制备出这种负折射率超材料。Landy等人于2008年首次提出了“完美”吸波体的概念，并研制出了一种双层金属结构及有耗介质组成的吸收器，厚度远远小于四分之一工作波长，对入射的特定频带内的电磁波，其吸收率能够达到99％以上。以往功能器件的设计思路是人们根据自然媒质的固有特性加以利用，设计出相对应的产品应用，但超材料则是一个逆向的设计过程，根据人们需要的产品应用需求，设计创造出具备相应电磁特性的功能材料。因此超材料的设计过程具有很大的优势，加之电磁超材料表现出的优越特性，使得超材料在较广阔的领域内都具有可观的应用价值。目前，针对超材料，科研工作者已经从材料构成和宏观结构设计两方面取得许多重要进展。然而，我们迫切地需要根据制备材料的性质来设计相应功能的超材料吸波体，以最大化超材料吸波体的应用价值。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法及其制备方法，技术方案如下：首先，本专利技术提供一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法，包括以下步骤：1)检测吸波材料的介电常数和磁导率；2)设计一种由上层为小柱体，下层为平板的一种结构单元体，这种结构单元体作为超材料吸波体的周期性单元；3)根据拓扑理论和电磁波极化特征，周期性单元的每一个上层小柱体进一步划分为两个以上更小的柱体组成；同时，这些更小的柱体，以周期性单元的Z轴为四次对称轴；4)随机生成这些更小的柱体的长宽高和下层平板的长宽高，进行10进制到2进制的转换，得到结构的二进制编码，保存，记为个体，N个个体组成原始种群，N为正整数；5)通过API接口，输入所得材料的介电常数、磁导率和原始种群数据；6)把原始种群数据中的二进制编码解码，构建相应的结构，把材料的介电常数的磁导率导入到相应的构建结构的材料属性中，进行仿真，取得各个个体反射衰减与波频率的曲线；7)把各个个体反射衰减与波频率的曲线记为原始种群的不同个体的适应度；8)对原始种群数据，应用遗传算法进行选择、交叉、变异操作，生成新的结构参数的二进制编码，记为子代种群；9)重复5)-7)步，保存曲线，记为子代种群的不同个体的适应度；10)比较原始种群的不同个体的适应度和子代种群的对应个体的适应度；11)选择波频率1-18GHz,反射衰减<-10dB的最宽的吸波频带的个体，在把这些个体的数据组成新的原始种群，进行5)-10)步，直到原始种群和子代种群的适应度没变化为止；此时的原始种群数据为结构优化的宽频超材料吸波体的结构数据，对该数据二进制编码解码，构建相应的结构，即为结构优化的宽频超材料吸波体的结构。第二本专利技术还提供通过上述方法获得结构优化的宽频超材料吸波体的制备方法，包括以下步骤：(1)在高分子基体材料中添加吸波剂材料，分散均匀；(2)根据上述方法获得的优化结构，利用增材方法或减材方法构建构优化的宽频超材料吸波体。步骤(1)所述高分子基体材料为石蜡、环氧或硅橡胶。步骤(1)所述吸波剂材料为单质磁性颗粒、铁氧体材料、多晶纤维、碳基类材料、纳米材料、等离子体材料、手性材料或导电高分子材料。步骤(1)所述吸波剂材料为Fe、Co、Ni、FeSi、FeCo、Fe3O4、Co3O4、Fe纤维、Ni纤维、Co纤维、合金纤维、炭黑、碳纤维、SiC、石墨烯、碳纳米管、碳微米管、碳纳米线、碳纳米片、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。步骤(1)所述吸波剂材料和高分子基体材料的质量比为(0.1-9)：1。步骤(2)所述减材方法具体为：把步骤(1)所得的混合材料加温加压成型，然后减材。有益效果一、利用现有吸波剂材料，运用超材料逆向设计思想，设计出一种宽频的吸波材料。在一种厚度下，有效的吸波带宽(吸收90％电磁波)覆盖S波段(2GHz～4GHz)、C波段(4GHz～8GHz)、X波段(8GHz～12GHz)和Ku波段(12GHz～18GHz)。比原有的吸波剂和超材料，有效带宽扩大一倍左右；二、在吸波材料制备中，运用3D打印技术，可以精确控制超材料吸波体形貌，成本低。工艺简单、能耗低，能够实现规模化生产；三、在制备超材料吸波体过程中，运用拓扑优化算法设计材料，避免了盲目制备吸波体，节省人力物力。附图说明图1FeCo微粉(a)吸波板材；(b)超材料吸波体；图2FeCo微粉的超材料吸波体模拟与测试的反射率曲线对比图；图3羰基铁粉(a)复介电常数(b)和复磁导率；图4羰基铁粉反射率曲线；图5(a)最优个体适应度和平均适应度随代数变化曲线(b)最优个体单元示意图；图6羰基铁粉超材料吸波体和不同厚度羰基铁粉吸波材料反射率曲线。具体实施方式实施例1首先验证超材料仿真正确性1)检测吸波材料的介电常数和磁导率；2)设计一种由上层为小柱体，下层为平板的一种结构单元体，这种结构单元体作为超材料吸波体的周期性单元；3)根据拓扑理论和电磁波极化特征，周期性单元的每一个上层小柱体进一步划分为两个以上更小的柱体组成；同时，这些更小的柱体，以周期性单元的Z轴为四次对称轴；4)随机生成这些更小的柱体的长宽高和下层平板的长宽高，进行10进制到2进制的转换，得到结构的二进制编码，保存，记为个体，N个个体组成原始种群，N为正整数；5)通过API接口，输入所得材料的介电常数、磁导率和原始种群数据；6)把原始种群数据中的二进制编码解码，构建相应的结构，把材料的介电常数的磁导率导入到相应的构建结构的材料属性中，进行仿真，取得各个个体反射衰减与波频率的曲线；所得曲线为模拟曲线。把质量分数为70％FeCo微粉混入环氧树脂中，制得180mmx180mm吸波大板，然后再用数控洗床洗出超材料吸波体。图1(a)(b)分别为FeCo微粉的吸波板材和超材料吸波体。从图1(a)中可以看出吸波板材的表面光滑，混合均匀。从图1(b)可以看出超材料吸波体结构完整度好，尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：1)检测吸波材料的介电常数和磁导率；2)设计一种由上层为小柱体，下层为平板的一种结构单元体，这种结构单元体作为超材料吸波体的周期性单元；3)根据拓扑理论和电磁波极化特征，周期性单元的每一个上层小柱体进一步划分为两个以上更小的柱体组成；同时，这些更小的柱体，以周期性单元的Z轴为四次对称轴；4)随机生成这些更小的柱体的长宽高和下层平板的长宽高，进行10进制到2进制的转换，得到结构的二进制编码，保存，记为个体，N个个体组成原始种群，N为正整数；5)通过API接口，输入所得材料的介电常数、磁导率和原始种群数据；6)把原始种群数据中的二进制编码解码，构建相应的结构，把材料的介电常数的磁导率导入到相应的构建结构的材料属性中，进行仿真，取得各个个体反射衰减与波频率的曲线；7)把各个个体反射衰减与波频率的曲线记为原始种群的不同个体的适应度；8)对原始种群数据，应用遗传算法进行选择、交叉、变异操作，生成新的结构参数的二进制编码，记为子代种群；9)重复5)‑7)步，保存曲线，记为子代种群的不同个体的适应度；10)比较原始种群的不同个体的适应度和子代种群的对应个体的适应度；11)选择波频率1‑18GHz,反射衰减<‑10dB的最宽的吸波频带的个体，在把这些个体的数据组成新的原始种群，进行5)‑10)步，直到原始种群和子代种群的适应度没变化为止；此时的原始种群数据为结构优化的宽频超材料吸波体的结构数据，对该数据二进制编码解码，构建相应的结构，即为结构优化的宽频超材料吸波体的结构。...

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化的宽频超材料吸波体的结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：1)检测吸波材料的介电常数和磁导率；2)设计一种由上层为小柱体，下层为平板的一种结构单元体，这种结构单元体作为超材料吸波体的周期性单元；3)根据拓扑理论和电磁波极化特征，周期性单元的每一个上层小柱体进一步划分为两个以上更小的柱体组成；同时，这些更小的柱体，以周期性单元的Z轴为四次对称轴；4)随机生成这些更小的柱体的长宽高和下层平板的长宽高，进行10进制到2进制的转换，得到结构的二进制编码，保存，记为个体，N个个体组成原始种群，N为正整数；5)通过API接口，输入所得材料的介电常数、磁导率和原始种群数据；6)把原始种群数据中的二进制编码解码，构建相应的结构，把材料的介电常数的磁导率导入到相应的构建结构的材料属性中，进行仿真，取得各个个体反射衰减与波频率的曲线；7)把各个个体反射衰减与波频率的曲线记为原始种群的不同个体的适应度；8)对原始种群数据，应用遗传算法进行选择、交叉、变异操作，生成新的结构参数的二进制编码，记为子代种群；9)重复5)-7)步，保存曲线，记为子代种群的不同个体的适应度；10)比较原始种群的不同个体的适应度和子代种群的对应个体的适应度；11)选择波频率1-18GHz,反射衰减<-10dB的最宽的吸波频带的个体，在把这些个体的数据组成新的原始种群，进行5)-10)步，直到原始种群和子代种群的适应度没变化为止；此时的原始种群数据为结构优化的宽频超材料吸波体的结构数据，对该数据二进制编码解码，构建相应的结...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小萧，闫旭，钟博，夏龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23