Ultrastiff metamaterials generated through a multilayer strategy and topology optimization

拓扑优化 超材料 顺应机制 拓扑(电路) 各向同性 刚度 计算机科学 材料科学 格子(音乐) 有限元法 物理 结构工程 声学 光学 数学 工程类 复合材料 光电子学 组合数学
作者
Yang Liu,Yongzhen Wang,Hongyuan Ren,Zhiqiang Meng,Xueqian Chen,Zuyu Li,Liwei Wang,Wei Chen,Yifan Wang,Jianbin Du
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:42
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47089-8
摘要

Abstract Metamaterials composed of different geometrical primitives have different properties. Corresponding to the fundamental geometrical forms of line, plane, and surface, beam-, plate-, and shell-based lattice metamaterials enjoy many advantages in many aspects, respectively. To fully exploit the advantages of each structural archetype, we propose a multilayer strategy and topology optimization technique to design lattice metamaterial in this study. Under the frame of the multilayer strategy, the design space is enlarged and diversified, and the design freedom is increased. Topology optimization is applied to explore better designs in the larger and diverse design space. Beam-plate-shell-combined metamaterials automatically emerge from the optimization to achieve ultrahigh stiffness. Benefiting from high stiffness, energy absorption performances of optimized results also demonstrate substantial improvements under large geometrical deformation. The multilayer strategy and topology optimization can also bring a series of tunable dimensions for lattice design, which helps achieve desired mechanical properties, such as isotropic elasticity and functionally grading material property, and superior performances in acoustic tuning, electrostatic shielding, and fluid field tuning. We envision that a broad array of synthetic and composite metamaterials with unprecedented performance can be designed with the multilayer strategy and topology optimization.
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