طراحي معكوس فرامواد با استفاده از يادگيري ماشين و روش اجزاي محدود

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

مواد معماري‌شده و ساختارهاي شبكه‌اي مهندسي‌شده به دليل قابليت تنظيم خواص مكانيكي از طريق طراحي هندسه داخلي، در سال‌هاي اخير مورد توجه پژوهشگران در حوزه‌هايي مانند هوافضا، زيست‌پزشكي و سازه‌هاي سبك قرار گرفته‌اند. با وجود قابليت‌هاي گسترده اين ساختارها، تحليل و طراحي آن‌ها معمولا نيازمند انجام تعداد زيادي تحليل اجزاي محدود است كه موجب افزايش هزينه محاسباتي و محدود شدن امكان جست‌وجوي گسترده در فضاي طراحي مي‌شود. هدف اين پژوهش، توسعه يك چارچوب يكپارچه عددي و داده‌محور براي تحليل، پيش‌بيني و طراحي معكوس ساختارهاي شبكه‌اي ورق‌مانند است. در اين راستا، چهار ساختار مبتني بر سطح‌هاي كمينه تناوبي سه‌بعدي شامل ژيرويد، شوارتس نوع ابتدايي، شوارتس نوع الماسي و نئوويوس، به همراه ساختار آگزتيك ري‌انترنت، با رويكرد مدل‌سازي ورقه‌اي در بازه‌هاي مختلف چگالي نسبي و جهت‌گيري ساختار مدل‌سازي شدند و رفتار مكانيكي آن‌ها با استفاده از روش اجزاي محدود تحت شرايط الاستيك خطي بررسي شد. اعتبار چارچوب عددي از طريق مقايسه مدول الاستيسيته نسبي حاصل از شبيه‌سازي‌ها با داده‌هاي موجود در منابع علمي بررسي شد و نتيجه‌ها تطابق مناسب با روندهاي شناخته‌شده مواد سلولي را نشان دادند. بررسي رفتار مكانيكي ساختارها نشان داد كه معماري هندسي، چگالي نسبي و جهت‌گيري نقش تعيين‌كننده‌اي در پاسخ مكانيكي دارند به‌گونه‌اي كه ساختارهاي مبتني بر سطح‌هاي كمينه تناوبي سه‌بعدي در بسياري از شرايط مدول الاستيك نسبي بالاتري ارائه كردند، در حالي كه ساختار ري‌انترنت به دليل سازوكار تغيير شكل خاص خود، رفتار آگزتيك و ضريب پواسون منفي را حفظ كرد. همچنين، تحليل قانون مقياس‌گذاري گيبسون و اشبي نشان داد كه رابطه ميان مدول الاستيسيته نسبي و چگالي نسبي از يك رابطه تواني پيروي مي‌كند و توان‌هاي مقياس‌گذاري استخراج‌شده در بازه 1٫5 تا 2٫2 قرار دارند كه نشان‌دهنده نقش غالب سازوكارهاي خمشي در تغيير شكل اين ساختارها است. به منظور كاهش هزينه محاسباتي و افزايش سرعت فرآيند طراحي، مدل‌هاي جانشين مبتني بر يادگيري ماشين شامل رگرسيون فرآيند گاوسي و رگرسيون نمادين توسعه داده شدند. اين مدل‌ها توانستند روابط غيرخطي ميان معماري ساختار، پارامترهاي هندسي، چگالي نسبي و خواص مكانيكي را با دقت مناسب بازنمايي كنند. علاوه بر پيش‌بيني مستقيم خواص مكانيكي، يك چارچوب طراحي معكوس چند مرحله‌اي براي تعيين پارامترهاي هندسي متناظر با خواص مكانيكي هدف و انتخاب معماري مناسب توسعه يافت. در ادامه، قابليت كاربرد مهندسي چارچوب پيشنهادي از طريق يك مطالعه موردي طراحي معكوس يك هسته شبكه‌اي معماري‌شده چند خاصيتي براي پنل ساندويچي بررسي شد. در اين مطالعه، ساختار منتخب و ضخامت ديواره تعيين‌شده توسط فرآيند طراحي معكوس، بازسازي و با تحليل مستقل اجزاي محدود اعتبارسنجي شد. نتيجه‌ها نشان دادند كه چارچوب توسعه‌يافته مي‌تواند مسير طراحي را از تعريف نيازهاي مكانيكي، انتخاب معماري و تعيين پارامترهاي هندسي تا ارزيابي عملكرد ساختار دنبال كند. در مجموع، اين پژوهش يك رويكرد يكپارچه براي تحليل، پيش‌بيني، طراحي معكوس و انتخاب ساختارهاي شبكه‌اي معماري‌شده ارائه مي‌دهد كه مي‌تواند به عنوان يك ابزار طراحي مهندسي در طراحي فرامواد مكانيكي و هسته‌هاي شبكه‌اي مهندسي‌شده مورد استفاده قرار گيرد.

238506

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان