一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化及制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化及制备方法


[0001]本专利技术属于电磁波吸收及屏蔽材料的优化设计
，涉及一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，同时也涉及一种基于优化设计结果进行宽频吸波夹层结构的
3D
打印加工制备方法，可以实现对吸波夹层结构进行快速优化设计，且加工制备的吸波夹层结构具有吸波性能好
、
易于制作以及成本低等优点
。

技术介绍

[0002]吸波材料是一种能够有效吸收电磁波能量从而降低电磁波反射的材料，在雷达隐身
、
电磁干扰抑制
、
声波吸收等领域具有重要应用
。
按照其承载特性，吸波材料可以分为涂覆型吸波材料和结构型吸波材料
。
其中，涂覆型吸波材料是指将吸波剂涂覆在金属或其他基体上形成的薄膜或涂层，其优点是制备简单
、
成本低，但其缺点是吸波性能较差
、
吸收频段窄
、
承载能力弱
。
结构型吸波材料是指将吸波剂与结构材料相结合而形成的整体结构，利用结构的设计来实现吸波，因其承载性能好
、
吸收频段宽
、
可设计性强等优点受到了广泛关注
。
结构型吸波材料通常为一种多层或夹层结构，由透波层
、
吸波层以及反射层构成，通过对吸波层的厚度及材料进行设计，可以实现阻抗匹配，进而提高对电磁波的吸收能力
。
夹层结构恰好具有多层的特征，理论上，通过合理的设计就可以实现阻抗匹配，因此，在吸波领域具有巨大的潜力
。
[0003]夹层结构是由面板以及中间的蜂窝芯或其他填充物组成的一种轻质高强的复合结构
。
夹层结构具有良好的阻尼性能和隔音性能，同时也具有较强的电磁波吸收能力
。
夹层结构的电磁波吸收机理主要包括以下几个方面：（1）透波层对入射电磁波产生反射和折射；（2）吸波层对透过电磁波产生阻抗匹配和能量耗散；（3）反射层对未被吸收的电磁波产生二次反射和干涉
。
通过对夹层结构的面板
、
芯材
、
厚度
、
形状等参数进行合理的设计和优化，可以实现对电磁波频率
、
角度
、
极化等因素的调控，从而达到最佳的吸波效果
。
[0004]目前，夹层结构吸波材料的设计方法主要分为两类：实验方法和数值方法
。
实验方法通过搭建电磁波测试系统以对不同参数的夹层结构样品进行电磁波反射率或透射率的测量，通过比较和分析确定最优参数组合，其缺点是耗时耗力，需要大量的样品制备和测试，成本高，效率低
。
数值方法是通过建立夹层结构吸波材料的数学模型，通过数值计算方法对夹层结构的电磁波传播过程进行模拟和分析，从而得到其吸波性能曲线
。
数值方法的优点是灵活高效，可以快速地对夹层结构的各种参数进行变化和探索，成本低，效率高，但仍需要大量的重复计算，以确保设计的准确性和可靠性
。
[0005]综上所述，现有夹层结构吸波材料的设计方法主要依赖于实验方法和数值方法，这两种方法都存在一定的局限性和不足，如何实现对夹层结构吸波材料的快速优化设计，并保证后续加工制备的吸波夹层结构具有吸波性能好
、
易于制作以及成本低等优点是亟待解决的技术问题
。

技术实现思路

[0006]（一）专利技术目的针对现有技术的上述缺陷和不足，本专利技术提供了一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，并以此为基础提供了一种基于优化设计结果进行宽频吸波夹层结构的
3D
打印加工制备方法，从而实现了对夹层结构吸波材料的快速优化设计，减少了冗杂的实验摸索工作，缩短了设计周期，同时采用本专利技术制作的夹层结构具有吸波性能好
、
易于制作以及成本低的优点，更好满足了应用的需求
。
[0007]（二）技术方案为实现该专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第1个专利技术目的在于提供一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，所述宽频吸波夹层结构至少包括上下面板
、
设置在所述上下面板之间的若干层具有不同孔径的蜂窝层
、
设置在相邻各所述蜂窝层之间的粘接层，其中，各所述蜂窝层的材料为添加有不同体积分数纳米吸波颗粒的热塑性聚酯材料，粘接层的材料为纯的热塑性聚酯材料，上下面板的材料均为纤维增强的热塑性聚酯材料，其特征在于，所述优化设计方法至少包括如下实施步骤：
SS1. 首先确定整体的优化目标
、
设计变量以及约束条件，其中，所述优化目标至少包括蜂窝层整体的吸波带宽
BW
，所述设计变量至少包括每一蜂窝层的高度
d
i
、
每一蜂窝层中蜂窝孔的内孔径
r
i
和外孔径
R
i
、
每一蜂窝层中纳米吸波颗粒的填充比例
β
i
，所述约束条件至少包括蜂窝层的总厚度
d、
蜂窝层的单层厚度范围
、
蜂窝孔的内外孔径范围
、
每一蜂窝层中纳米吸波颗粒的填充比例范围，并且其中，
d=d1+d2+...+d
n
，
i=1,2
，
...
，
n
，
n
为蜂窝层的层数；
SS2. 采用差分进化算法作为优化算法，并确定初始种群中个体数量
N、
设计维度
D、
总迭代次数
GER、
变异因子
F
和交叉概率
CR
，并根据约束条件对初始种群进行随机初始化；
SS3. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中纳米吸波颗粒填充比例
β
i
，利用有效介质理论计算得到蜂窝层中蜂窝壁的等效复介电常数
、
等效复磁导率
µ
i
；
SS4. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中蜂窝孔的内外孔径
r
i
、R
i
，利用等效电路理论计算得到蜂窝层的宏观等效复介电常数
、
宏观等效复磁导率
h
µ
i
；
SS5. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层的厚度
d
i
，并结合步骤
SS4
中计算得到的每一蜂窝层的宏观等效复介电常数
、
宏观等效复磁导率
h
µ
i
，根据传输线理论计算多层蜂窝层材料的等效反射损耗
RL
，并进一步计算多层蜂窝层材料的吸波带宽
BW
；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，所述宽频吸波夹层结构至少包括上下面板
、
设置在所述上下面板之间的若干层具有不同孔径的蜂窝层
、
设置在相邻各所述蜂窝层之间的粘接层，其中，各所述蜂窝层的材料为添加有不同体积分数纳米吸波颗粒的热塑性聚酯材料，粘接层的材料为纯的热塑性聚酯材料，上下面板的材料均为纤维增强的热塑性聚酯材料，其特征在于，所述优化设计方法至少包括如下实施步骤：
SS1. 首先确定整体的优化目标
、
设计变量以及约束条件，其中，所述优化目标至少包括蜂窝层整体的吸波带宽
BW
，所述设计变量至少包括每一蜂窝层的高度
d
i
、
每一蜂窝层中蜂窝孔的内孔径
r
i
和外孔径
R
i
、
每一蜂窝层中纳米吸波颗粒的填充比例
β
i
，所述约束条件至少包括蜂窝层的总厚度
d、
蜂窝层的单层厚度范围
、
蜂窝孔的内外孔径范围
、
每一蜂窝层中纳米吸波颗粒的填充比例范围，并且其中，
d=d1+d2+... +d
n
，
i=1,2
，
...
，
n
为蜂窝层的层数；
SS2. 采用差分进化算法作为优化算法，并确定初始种群中个体数量
N、
设计维度
D、
总迭代次数
GER、
变异因子
F
和交叉概率
CR
，并根据约束条件对初始种群进行随机初始化；
SS3. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中纳米吸波颗粒填充比例
β
i
，利用有效介质理论计算得到蜂窝层中蜂窝壁的等效复介电常数
、
等效复磁导率
µ
i
；
SS4. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中蜂窝孔的内外孔径
r
i
、R
i
，利用等效电路理论计算得到蜂窝层的宏观等效复介电常数
、
宏观等效复磁导率
h
µ
i
；
SS5. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层的厚度
d
i
，并结合步骤
SS4
中计算得到的每一蜂窝层的宏观等效复介电常数
、
宏观等效复磁导率
h
µ
i
，根据传输线理论计算多层蜂窝层材料的等效反射损耗
RL
，并进一步计算多层蜂窝层材料的吸波带宽
BW
；
SS6. 对于每个个体，建立优化目标函数
f=BW
，以吸波带宽
BW
作为适应度值，并根据约束条件对其进行惩罚处理；
SS7. 根据差分进化算法的原理，对当前种群进行变异
、
交叉和选择操作，并更新保留最佳个体；
SS8. 反复迭代，判断是否到达迭代终止条件，所述迭代终止条件为达到预先设置的迭代次数或者适应度值达到预先设定的阈值，满足迭代终止条件后停止迭代，输出最佳个体对应的最佳设计变量
d
best
、r
best
、R
best
、
β
best
，
d
best
、r
best
、R
best
、
β
best
分别为每一蜂窝层的最佳高度
、
蜂窝孔的最佳内孔径
、
蜂窝孔的最佳外孔径
、
最佳纳米吸波颗粒填充比例，如果未满足迭代终止条件，则返回步骤
SS3
继续迭代
。2.
根据权利要求1所述的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，其特征在于，上述步骤
SS1
中，确定所述优化目标为蜂窝层最大化的吸波带宽
BW
，约束条件为蜂窝层的总厚度
d ≤ 10mm、
蜂窝层的单层厚度范围满足
0.5mm ≤ d
i ≤ 5mm、
蜂窝孔的内外孔径范围满足
0.5mm ≤ r
i
≤ R
i ≤ 5mm、
每一蜂窝层中纳米吸波颗粒的填充比例范围满足 0 ≤ β
i ≤0.1。3.
根据权利要求1所述的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，其特征在于，上述步骤
SS2
中，采用自适应差分进化算法作为优化算法，动态调整变异因子
F
和交叉概率
CR
，根据每个个体的适应度值和历史信息，分别为每个个体分配一个
F
值和一个
CR
值
。4.
根据权利要求3所述的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，其特征在于，使用以下公式实现自适应差分进化算法，使得优化过程中能够保持多样性和收敛性
的平衡：其中，
F
i
和
CR
i
分别为第
i
个个体的变异因子和交叉概率，
F
min
和
F
max
分别为变异因子的最小值和最大值，
CR
min
和
CR
max
分别为交叉概率的最小值和最大值，
λ1和
λ2分别为调节参数，
f
i
为第
i
个个体的适应度值，
f
m
为当前种群中所有个体适应度值的平均值，
t
为当前迭代次数，
t
m
为总迭代次数的一半
。5.
根据权利要求4所述的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，其特征在于，当
f
i > f
m
时，说明第
i
个个体适应度较高，需要增大
F
值以增强探索能力；当
f
i < f
m
时，说明第
i
个个体适应度较低，需要减小
F
值以增强利用能力；当
t<t
m
时，说明优化过程处于初期阶段，需要增大
CR
值以增加多样性；当
t>t
m
时，说明优化过程处于后期阶段，需要减小
CR
值以增加收敛性
。6.
根据权利要求1所述的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，其特征在于，上述步骤
SS2
中，根据蜂窝层的结构参数和材料参数，预先估计其设计变量的合理范围，并在该范围内进行初始种群的随机初始化，以避免产生不符合物理规律或工程实际的不可行解
。7.
根据权利要求6所述的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，其特征在于，使用以下公式实现预估设计变量范围，以提高优化效率和质量：其中，
d
min
、d
max
、r
min
、r
max
、R
min
、R
max

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，马晓平，燕永钊，金朋，郦博闻，吕光全，沈思颖，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：