基于Pareto遗传算法的异构变梯度晶格材料等效力学性能预测方法

本发明涉及增材制造与优化设计，具体地，涉及一种基于pareto遗传算法的异构变梯度晶格材料等效力学性能预测方法。

背景技术：

1、晶格结构是一类胞元结构，通常由一组边面对称的空间周期单元格构成。由于其复杂的几何构型，直到近年来增材制造(am)的飞速发展才引起广泛关注。晶格结构的设计极大地受益于基于聚合物粉末的am技术，如选择性激光烧结(sls)和多射流融合(mjf)，这些技术可以在没有支撑结构的情况下构建复杂的部件。其中，有很多具有优异物理特性的晶格结构被研究。目前，这部分晶格结构已广泛应用于工程领域，如冲击能量吸收、流体流动控制等。

2、在功能梯度晶格结构的研究中进一步揭示了具有各向异性特性的单位单胞的潜力，单一类型的单元布置可能不足以满足更复杂的载荷情况，并且在变密度晶格结构的低密度设计区域存在大量细杆材料，实际制造时极易产生制造缺陷，这也是将变密度设计与多构型设计相结合时可以避免的问题。

3、当研究的目标对象是异构变梯度晶格材料时，受限于异构变梯度晶格结构内部极其庞大和复杂的有限元单元网格，直接进行有限元仿真并根据仿真结果进行性能评估的方法是很难实施的。如何对异构变梯度晶格结构材料进行等效性能评估，成为异构变梯度晶格材料优化设计亟待解决的难题，也是打破晶格结构现有设计性能上限的关键要点。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于pareto遗传算法的异构变梯度晶格材料等效力学性能预测方法，针对异构变梯度晶格材料的力学性能评估，提出了一种分步求解相关影响系数，最后加权求pareto最优解的等效预测方法，具有高实用性和高适应性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于pareto遗传算法的异构变梯度晶格材料力学性能等效预测方法，具体包括如下步骤：

3、步骤1、根据异构变梯度晶格材料的所用晶格类型及晶格密度，记录所用晶格结构的等效模量，同时对异构变梯度晶格材料的实体模型进行六面体网格划分，通过力学性能有限元仿真分析，记录应力数据；

4、步骤2、根据步骤1记录的应力数据结合所用晶格结构的等效模量，获取异构变梯度晶格材料的离散力学性能优化度j1；

5、步骤3、遍历异构变梯度晶格材料中的所有交界面，根据交界面两侧晶格结构的横截面，求解各自的横截面积以及重合相交的横截面积，得到异构变梯度晶格材料的离散晶格连接度j2；

6、步骤4、按照异构变梯度晶格材料中离散区域填充晶格类型以及交界面的数量，求解每个离散区域的综合评判系数，得到整体结构综合衡量系数j3；

7、步骤5、将不同类型的异构变梯度晶格材料的j1、j2、j3输入pareto遗传算法中，得到pareto最优解，即为异构变梯度晶格材料力学性能等效预测结果。

8、进一步地，步骤1包括如下子步骤：

9、步骤1.1、根据异构变梯度晶格材料的所用晶格类型及晶格密度区间，记录异构变梯度晶格材料中所用的不同类型不同密度晶格结构，对所述晶格结构进行有限元仿真或是刚度矩阵计算，得到各个晶格结构的杨氏模量e11、e22、e33和剪切模量g12、g12、g23；

10、步骤1.2：根据异构变梯度晶格材料的工作载荷条件，对异构变梯度晶格材料的实体模型进行六面体网格划分，进行力学性能有限元仿真分析，记录每一个六面体网格单元的von-mises应力值fvm以及六面体的六个分应力值s11、s22、s33、s12、s13、s23。

11、进一步地，步骤2包括如下子步骤：

12、步骤2.1、任意一个六面体网格单元根据六面体的六个分应力值求解六面体的六个分应力值权重矩阵其中，s11、s22、s33、s12、s13、s23分别为六面体的分应力值，ls为六个分应力值的范数，

13、步骤2.2、对所述六面体网格单元填充一个晶格结构，得到一个离散区域，根据填充晶格结构的杨氏模量e11、e22、e33和剪切模量g12、g12、g23分别求取等效模量权重矩阵其中，lt为等效模量范数，

14、步骤2.3、根据所述六面体网格单元填充晶格结构的等效模量以及von-mises应力值fvm求取所述离散区域的综合承压能力根据所述六面体网格单元的六个分应力值权重矩阵以及对应的等效模量权重矩阵求取所述离散区域的承压能力比重得到所述离散区域的填充评判系数其中，l6为晶格单元的等效模量范数，为六个分应力值权重矩阵中的h列值，为等效模量权重矩阵中的h列值；

15、步骤2.4、重复步骤2.1-2.3，得到所有离散区域的填充评判系数，求取异构变梯度晶格材料的离散力学性能优化度j1为：

16、

17、其中，n为异构变梯度晶格材料中划分的离散区域的总数，n为n的索引。

18、进一步地，步骤3包括如下子步骤：

19、步骤3.1、计算异构变梯度内所填充不同类型不同密度单胞间的连接性，提取所有的离散区域连接面两侧所用晶格单元的类型及密度，通过mc成型代码将两种晶格单元进行建模成型，将两种单胞在空间上相交的两个横截面显示出来；

20、步骤3.2、将两种单胞在空间上相交的两个横截面化为像素图像，进行两种类型晶格结构的重叠部分计算，计算融合系数：

21、

22、其中，为第n个离散区域中第l个交界面的融合系数，aa和ab分别是交界面两侧晶格单元横截面的面积；

23、步骤3.3、将所有交界面融合系数求和得到异构变梯度晶格材料的离散晶格连接度j2：

24、

25、其中，m表示异构变梯度晶格材料中所有离散区域交界面的总数；ln为第n个离散区域所拥有的交界面数，l为ln的索引；n为异构变梯度晶格材料中划分的离散区域的总数，n为n的索引。

26、进一步地，步骤4包括如下子步骤：

27、步骤4.1、根据每个离散区域的填充评判系数mi，以及离散区域中每个交界面的融合系数，计算各个离散区域的综合评判系数m′n：

28、

29、其中，ln为第n个离散区域所所拥有的交界面数，l为ln的索引；

30、步骤4.2、通过各个离散区域的综合评判系数得到整体综合衡量系数j3为：

31、

32、其中，n为异构变梯度晶格材料中划分的离散区域的总数，n为n的索引。

33、进一步地，步骤5中pareto遗传算法的计算过程为：

34、p＝w1(j1×j2)+w2j3

35、其中，w1为离散区域的总力学性能评价权重，w2为异构变梯度晶格材料结构的力学性能评价权重。

36、进一步地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行所述的基于pareto遗传算法的异构变梯度晶格材料力学性能等效预测方法。

37、进一步地，本发明还提供了一种电子设备，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，所述处理器执行计算机程序时，实现所述的基于pareto遗传算法的异构变梯度晶格材料力学性能等效预测方法。

38、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提出了一种异构变梯度晶格材料的等效力学性能预测方法，解决了在晶格研究领域中，异构变梯度晶格材料缺少设计理论设计算法的难题，能有效对不同晶格填充下的异构变梯度晶格材料进行力学性能预测。相比于传统的有限元迭代优化方法，具有极高的设计效率和稳定的预测结果，为晶格材料在工程性能优化中的应用提供了关键的设计方案。