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A novel bio-inspired design method for porous structures: Variable-periodic Voronoi tessellation

沃罗诺图 桁架 多孔性 镶嵌(计算机图形学) 材料科学 各向同性 形心Voronoi细分 变量(数学) 生物系统 结构工程 计算机科学 几何学 工程类 数学 复合材料 数学分析 生物 物理 量子力学
作者
Zeyang Li,Sheng Chu,Zhangming Wu
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:243: 113055-113055 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2024.113055
摘要

This paper introduces a novel approach, namely Variable-Periodic Voronoi Tessellation (VPVT), for the bio-inspired design of porous structures. The method utilizes distributed points defined by a variable-periodic function to generate Voronoi tessellation patterns, aligning with a wide diversity of artificial or natural cellular structures. In this VPVT design method, the truss-based architecture can be fully characterized by design variables, such as frequency factors, thickness factors. This approach enables the optimal design of porous structures for both mechanical performance and functionality. The varied, anisotropic cell shapes and sizes of VPVT porous structures provide significantly greater design flexibility compared to typical isotropic porous structures. In addition, the VPVT method not only can design micro-macro multiscale materials, but is also applicable for the design of meso-macro scale truss-based porous structures, such as architecture constructions, biomedical implants, and aircraft frameworks. This work employs a Surrogate-assisted Differential Evolution (SaDE) method to perform the optimization process. Numerical examples and experiments validate that the proposed design achieves about 51.1% and 47.8% improvement in compliance performance and damage strength, respectively, than existing studies.
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