钱学森实验室在4D打印技术研究领域取得重要进展

发布日期:2021-12-06 点击次数: 打印 字号:TT

钱学森实验室智能材料与功能结构团队通过设计多种活性材料与基底材料的空间分布实现结构在环境刺激下实现目标形状的高精度匹配。建立了针对活性材料的多材料插值模型实现了连续的设计变量表示材料分布。使用伴随方法进行灵敏度分析,有效解决了单元刚度矩阵与内力向量均依赖于材料分布的问题。所提出的4D打印材料分布设计算法,具有收敛稳定,计算成本低,设计结果易于打印等优点。验证测试目标形状匹配误差优于0.2%,比同类研究提升一个数量级。

等效力学建模方案示意图

相关研究在智能材料与结构领域国际权威期刊Smart Materials and Structures发表研究文章“Design of active materials distributions for four-dimensional printing based on multi-material topology optimization”(基于多材料拓扑优化的4D打印活性材料分布设计),审稿人对该研究给予了高度评价,认为“这项研究对4D打印技术的发展具有非常重要的指导意义”。

目标形状材料演化和形状匹配过程(1)抛物形(2)正弦形

4D打印技术以实现未来装备的智能变形、变性、变功能为目标,通过材料和结构主动设计,并在制造过程中注入响应信息,实现智变装备中关键构件形状或性能在服役环境下的自主可控或自适应变化。该技术颠覆了现有装备构件形性固定、功能单一的设计制造方式,是一种全新的在时间和空间维度上实现功能可控变化的智能构件制造方法,为未来智变装备创新发展提供变革性设计制造手段,在可重构航天器、空间机器人等领域具有重要应用前景。

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