De-homogenization is becoming an effective method to significantly expedite the design of high-resolution multiscale structures, but existing methods have thus far been confined to simple static compliance minimization. There are two critical challenges to be addressed in accommodating general cases: enabling the design of unit-cell orientation and using free-form microstructures. In this paper, we propose a data-driven de-homogenization method that allows effective design of the unit-cell orientation angles and conformal mapping of spatially varying, complex microstructures. We devise a parameterized microstructure composed of rods in different directions to provide more diversity in stiffness while retaining geometrical simplicity. The microstructural geometry-property relationship is then surrogated by a neural network to avoid costly homogenization. A Cartesian representation of the unit-cell orientation is incorporated into homogenization-based optimization to design the angles. Corresponding high-resolution multiscale structures are obtained from the homogenization-based designs through a conformal mapping constructed with sawtooth function fields. This allows us to assemble complex microstructures with an oriented and compatible tiling pattern, while preserving the local homogenized properties. To demonstrate our method with a specific application, we optimize the frequency response of structures under harmonic excitations within a given frequency range. It is the first time that a sawtooth function is applied in a de-homogenization framework for complex design scenarios beyond static compliance minimization. The examples illustrate that multiscale structures can be generated with high efficiency and much better dynamic performance compared with the macroscale-only optimization. Beyond frequency response design, our proposed framework can be applied to other general problems.


翻译:脱异性化正在成为一种有效方法,可以大大加快高分辨率多尺度结构的设计,但现有方法迄今仅限于简单的静态合规最小化。在适应一般情况时,需要解决两个关键的挑战:能够设计单元细胞定向和使用免费成形微结构。在本文中,我们提出一种数据驱动脱异性化方法,以便有效地设计单元细胞定向角度和对不同空间、复杂微结构进行符合性的绘图。我们设计了一个由不同方向的杆组成的参数化微结构,以提供更僵硬的多样化,同时保持几何频率的简单化。微结构的几何性能关系随后被一个神经网络所取代,以避免昂贵的同质化。一个单位-细胞定向的剖腹结构被纳入基于同质化的优化,以设计不同空间、复杂的微结构的匹配性能。通过一个与锯木体功能字段构建的一致的绘图,我们得以将复杂的微结构应用到一个更直向和相容的、更相容的高频度结构中。一个更精确的、更精确的、更精确的、更精确的、更精确的、更精确的、更精确的、更精确的、更精确的、更精确的模拟的模拟结构在特定的结构下,可以显示一个特定的系统结构下进行。

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