力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法和设备技术

一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法、设备和计算机可读存储介质，其中，所述方法包括：确定目标三维条带的几何构型；确定初始平面构型对应的待优化参数的初始种群，参照所述目标三维条带的几何构型，基于自适应遗传算法对所述待优化参数进行更新，在达到收敛条件停止更新；根据达到所述收敛条件的优化参数确定初始平面构型。本申请实施例采用反向设计的方式，避免了大量的正向设计的重复试错过程，提升了构型设计的精度，节约了构型设计的时间和实验成本，可以有效地提高条带状三维构型的设计效率，同时涉及理论较为简单，可拓展性强。

【技术实现步骤摘要】
力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法和设备
本文涉及计算机科学与固体力学领域，尤指一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法、设备和计算机可读存储介质。
技术介绍
基于力学引导的三维组装技术是一类新兴的三维微结构的制备方法，该方法的制备流程是：利用成熟的现代微电子机械加工技术得到已设计好的平面二维前驱体，将其放置于预拉伸的弹性基底上，同时将平面结构与基底进行选择性的粘接，释放基底的预应变后，由基底的收缩诱导平面二维微结构的弯扭失稳，使其发生后屈曲大变形，从而形成各式各样的三维微结构。该技术其具有材料种类限制小，可制备的结构尺寸范围广，可快速制备和高精度、可逆地调控复杂拓扑的三维微结构，与成熟的平面加工工艺相兼容等优势。因此，利用该技术可以制备出形状各异、复杂多样的三维拓扑微结构，从而成为了科技研究的热点和难点。近几年来，基于这种力学引导的力学三维组装技术，研究者通过设计二维前驱体的几何形状、选择不同的粘接区域和调整基底的预拉伸应变来制备具有不同几何特点的三维微结构。这种正向设计过程已经得到了几十种形状各异的三维微结构，包括环形螺旋结构、8×8的双层螺旋结构、帐篷和圆桌阵列结构以及多层结构。但是，目前针对组装过程的仿真与实验研究通常通过对二维结构形状的设计来获取形状各异的三维微结构，属于正向设计过程，且局限于实验和数值计算。如果想获得目标三维构型依赖于大量的重复试错，费时费力，并且难以实现目标三维构型的准确获取。
技术实现思路
本申请提供了一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法、设备和计算机可读存储介质，以实现目标三维构型的准确获取。本申请实施例提供了一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法，包括：确定目标三维条带的几何构型；确定初始平面构型对应的待优化参数的初始种群，参照所述目标三维条带的几何构型，基于自适应遗传算法对所述待优化参数进行更新，在达到收敛条件停止更新；根据达到所述收敛条件的优化参数确定初始平面构型。本申请实施例还提供一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法。本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行所述力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法。与相关技术相比，本申请包括：获取目标三维条带的几何构型；确定初始平面构型对应的待优化参数的初始种群，参照所述目标三维条带的几何构型，基于自适应遗传算法对所述待优化参数进行更新，在达到收敛条件停止更新；根据达到所述收敛条件的优化参数确定初始平面构型。本申请实施例采用反向设计的方式，避免了大量的正向设计的重复试错过程，提升了构型设计的精度，节约了构型设计的时间和实验成本，可以有效地提高条带状三维构型的设计效率，同时涉及理论较为简单，可拓展性强。本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。附图说明附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。图1为本申请实施例的力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法的流程图；图2为粘结点面内旋转加载的理论示意图；图3为本申请应用实例的力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法的流程图；图4为本申请应用实例的力学引导组装条带状三维结构的反向设计的优化结果的示意图。具体实施方式本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的专利技术方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它专利技术方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的专利技术方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。目前针对三维组装技术的理论与算法研究主要用于求解屈曲形成的条带型三维结构形状的解析解，同时由于后屈曲变形强烈的几何非线性的特点使得解析解的过程和结果非常复杂，难以应用于反向设计过程的解析求解，因此目前的理论研究仅具有可预测性，要想直接得到所需要的三维微结构仍然需要不断地尝试，效率十分低下，严重限制了力学引导组装技术的广泛应用。本申请实施例基于自适应遗传算法，根据条带的变形特点，提供一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法，得到条带状目标三维构型对应的变形前平面条带结构(二维前驱体)的几何构型(即初始平面构型)和相应的加载条件，避免了复杂的公式推导和大量的重复试错计算，可以有效地提高条带状三维构型的设计效率。与此同时，该算法也适用于任意条带状结构的三维变形过程，具有很强的拓展性。如图1所示，本申请实施例提供一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法，包括：步骤101，确定目标三维条带的几何构型。其中，可以根据目标三维条带的几何构型，确定所述目标三维条带的几何构型的轴线曲线r(S),S∈[0,LS]，S为弧长坐标，LS为总弧长，进而可利用κ(S)＝|d2r(S)/dS2|可得所述目标三维条带的轴线曲率κ(S)。步骤102，确定初始平面构型对应的待优化参数的初始种群，参照所述目标三维条带的几何构型，基于自适应遗传算法对所述待优化参数进行更新，在达到收敛条件停止更新。令所述初始平面构型的轴线曲率为K(S)，利用如下公式可由曲率K(S)得到平面条带的轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法，包括：/n确定目标三维条带的几何构型；/n确定初始平面构型对应的待优化参数的初始种群，参照所述目标三维条带的几何构型，基于自适应遗传算法对所述待优化参数进行更新，在达到收敛条件停止更新；/n根据达到所述收敛条件的优化参数确定初始平面构型。/n

【技术特征摘要】
1.一种力学引导组装条带状三维结构的反向设计方法，包括：
确定目标三维条带的几何构型；
确定初始平面构型对应的待优化参数的初始种群，参照所述目标三维条带的几何构型，基于自适应遗传算法对所述待优化参数进行更新，在达到收敛条件停止更新；
根据达到所述收敛条件的优化参数确定初始平面构型。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述待优化参数包括无量纲轴线曲率函数其中，K(S)为所述初始平面构型的轴线曲率，所述κ(S)为所述目标三维条带的轴线曲率，S为弧长坐标。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定初始平面构型对应的待优化参数的初始种群，包括：
将弧长坐标S∈[0,LS]均分为n等分，设置采用样条曲线插值的方式对无量纲轴线曲率函数进行表征，设置取值范围设为[-1,1]，其中，n为正整数，LS为总弧长。


4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述待优化参数还包括宽度分布函数和/或屈曲加载方式参数。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参照所述目标三维条带的几何构型，基于自适应遗传算法对所述待优化参数进行更新，在达到收敛条件停止更新，包括：
根据所述待优化参数进行后屈曲构型计算，将得到的计算结果与所述目标三维条带的几何构型进行对比，将得到的相对坐标误差值作为自适应遗传算法的适应度函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张一慧，范智超，张帆，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11