Data-driven methods have gained increasing attention in computational mechanics and design. This study investigates a two-scale data-driven design for thermal metamaterials with various functionalities. To address the complexity of multiscale design, the design variables are chosen as the components of the homogenized thermal conductivity matrix originating from the lower scale unit cells. Multiple macroscopic functionalities including thermal cloak, thermal concentrator, thermal rotator/inverter, and their combinations, are achieved using the developed approach. Sensitivity analysis is performed to determine the effect of each design variable on the desired functionalities, which is then incorporated into topology optimization. Geometric extraction demonstrates an excellent matching between the optimized homogenized conductivity and the extraction from the constructed database containing both architecture and property information. The designed heterostructures exhibit multiple thermal meta-functionalities that can be applied to a wide range of heat transfer fields from personal computers to aerospace engineering.


翻译:数据驱动方法在计算力学和设计中受到越来越多的关注。本研究探讨了适用于各种热超材料的双尺度数据驱动设计。为了解决多尺度设计的复杂性,设计变量被选择为源自较低尺度单元的均匀化热导率矩阵的组成部分。使用开发的方法实现了多个宏观功能,包括热隐形衣、热聚集器、热旋转器/反转器及其组合。进行敏感性分析以确定每个设计变量对期望功能的影响,然后将其合并到拓扑优化中。几何提取展示了优化均匀化电导率和建立的包含体系结构和属性信息的数据库提取之间的优秀匹配。设计的异质结构展示了多个可应用于从个人计算机到航空航天工程的热传输领域的热元功能。

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