正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体的拓扑优化设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体的拓扑优化设计方法及系统，该拓扑优化设计方法为实现指定工作频率的弹性高阶拓扑绝缘体，对二维正方晶格元胞中材料分布进行反演设计，以获得具有弹性波波导传输和定点局域收集能力的结构。本发明专利技术设计得到的正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体能够实现弹性波的精确波导和定点局域效果，可用于指定频率区域弹性波的精确调控，充分发挥了高阶拓扑绝缘体的波调控能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体的拓扑优化设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及结构拓扑优化
，尤其是一种正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体的拓扑优化设计方法及系统。

技术介绍

[0002]弹性高阶拓扑绝缘体具有多维度的弹性波调控能力，通过将不同拓扑特性的元胞结构杂化形成的结构边界或者拐角，可以实现弹性波沿着指定路径上的波导效果或者在指定位置的波汇聚效果。并且，弹性高阶拓扑绝缘体受到拓扑保护而有效免疫结构缺陷、无序等导致的背向散射，能够高效低损耗地进行波动操纵。
[0003]传统的声学高阶拓扑绝缘体设计思路一般是借鉴凝聚态物理领域的相关理论模型，通过交叉融合多学科发展前沿，进行声学结构的模拟实现。在这些声学结构中，需要通过调整设计结构的几何参数来打开声子晶体带隙，并实现能带反转和拓扑相变过程以获得具有不同体极化的元胞结构。例如H.Fan等人研究一种由连接梁和质量块组成的离散蜂窝点阵的复合元胞，通过扩张或者收缩元胞内质量块间距的方式设计实现了拓扑相变过程，并结合试验验证了结构中激发的拓扑角态。这种方法依赖丰富的多学科知识以及经验性总结，极大的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正方晶格弹性高阶拓扑绝缘体的拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：约束元胞为C4v对称性结构，设定元胞在第一布里渊区高对称点M处不同模态的目标频率；与所述不同模态相联系的色散曲线具有不同的高阶拓扑特性；将所述元胞离散成M
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M正方形单元网格，即元胞单元，根据所述元胞单元变量，确定所述元胞的设计域；其中，所述设计域中包含的单元网格称为设计域单元；初始化遗传算法参数，其中种群指设计域单元，初始种群指向设计域单元中随机填充基体或者嵌入材料；利用化遗传算法迭代优化种群，直至优化后元胞的工作频率逼近所述目标频率，得到优化设计域；根据所述优化设计域，转换获得优化结构，并对所述优化结构进行过滤，得到中间结构；对所述中间结构进行有限元分析，根据有限元分析结果计算目标函数值；重复利用化遗传算法迭代优化种群到有限元分析的过程，直至目标函数值满足设定阈值，得到最优结构。2.如权利要求1所述的拓扑优化设计方法，其特征在于，与所述不同模态相联系的色散曲线具有不同的高阶拓扑特性，可分别利用拓扑极化进行表征，其定义为：其中，P
i
表示高阶拓扑特性；i＝x,y表示不同坐标方向；η表示本征态的空间对称性；n表示该本征态所处的能带；X
i
＝π/a(1,0)和Γ
i
＝(0,0)分别为第一布里渊区高对称点，a为晶格常数。3.如权利要求1所述的拓扑优化设计方法，其特征在于，设定元胞在第一布里渊区高对称点M处不同模态的目标频率，包括：设定元胞在第一布里渊区高对称点M处单极模s模、偶极模p模和四极模d模的目标频率；所述偶极模p模为确定性的px模、py模简并。4.如权利要求3所述的拓扑优化设计方法，其特征在于，设定元胞在第一布里渊区高对称点M处单极模s模、偶极模p模和四极模d模的目标频率为具有s模、px模、py模和d模四重简并且频率为1.6kHz；或者，设定元胞在第一布里渊区高对称点M处单极模s模、偶极模p模和四极模d模的目标频率为s模、d模频率为1.1kHz而px模、py模频率为2.5kHz；或者，设定元胞在第一布里渊区高对称点M处单极模s模、偶极模p模和四极模d模的目标频率为s模、d模频率为2.5kHz而px模、py模频率为1.1kHz。5.如权利要求1所述的拓扑优化设计方法，其特征在于，根据所述元胞单元变量，确定所述元胞的设计域，包括：根据所述元胞单元变量，确定所述元胞的设计域为元胞1/8的一个三角区域。6.如权利要求1所述的拓扑优化设计方法，其特征在于，对所述优化结构进行过滤，得到中间结构，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹剑飞，郑周甫，温激鸿，郁殿龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：