Spinodoid architected materials have drawn significant attention due to their unique nature in stochasticity, aperiodicity, and bi-continuity. Compared to classic periodic truss-, beam- and plate-based lattice architectures, spinodoids are insensitive to manufacturing defects, scalable for high throughput production, functionally graded by tunable local properties, and material failure resistant due to low-curvature morphology. However, the design of spinodoids is often hindered by the curse of dimensionality with extremely large design space of spinodoid types, material density, orientation, continuity, and anisotropy. From a design optimization perspective, while genetic algorithms are often beyond the reach of computing capacity, gradient-based topology optimization is challenged by the intricate mathematical derivation of gradient fields with respect to various spinodoid parameters. To address such challenges, we propose a data-driven multiscale topology optimization framework. Our framework reformulates the design variables of spinodoid materials as the parameters of neural networks, enabling automated computation of topological gradients. Additionally, it incorporates a Gaussian Process surrogate for spinodoid constitutive models, eliminating the need for repeated computational homogenization and enhancing the scalability of multiscale topology optimization. Compared to 'black-box' deep learning approaches, the proposed framework provides clear physical insights into material distribution. It explicitly reveals why anisotropic spinodoids with tailored orientations are favored in certain regions, while isotropic spinodoids are more suitable elsewhere. This interpretability helps to bridge the gap between data-driven design with mechanistic understanding.


翻译:旋节线结构材料因其独特的随机性、非周期性和双连续性而受到广泛关注。与经典的周期性桁架、梁和板基格构相比,旋节线结构对制造缺陷不敏感,可扩展用于高通量生产,通过可调局部属性实现功能梯度化,并因其低曲率形态而具有抗材料失效能力。然而,旋节线结构的设计常受限于维度灾难,其设计空间(包括旋节线类型、材料密度、取向、连续性和各向异性)极其庞大。从设计优化角度看,遗传算法往往超出计算能力范围,而基于梯度的拓扑优化则因涉及复杂旋节线参数梯度场的数学推导而面临挑战。为应对这些挑战,我们提出了一种数据驱动的多尺度拓扑优化框架。该框架将旋节线材料的设计变量重新表述为神经网络的参数,实现了拓扑梯度的自动计算。此外,它结合了用于旋节线本构模型的高斯过程代理模型,消除了重复计算均质化的需求,并增强了多尺度拓扑优化的可扩展性。与"黑箱"深度学习方法相比,所提框架为材料分布提供了清晰的物理洞察。它明确揭示了为何具有定制取向的各向异性旋节线在某些区域更受青睐,而各向同性旋节线在其他区域更为合适。这种可解释性有助于弥合数据驱动设计与机理理解之间的鸿沟。

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