Triply periodic minimal surface (TPMS) metamaterials characterized by mathematically-controlled topologies exhibit better mechanical properties compared to uniform structures. The unit cell topology of such metamaterials can be further optimized to improve a desired mechanical property for a specific application. However, such inverse design involves multiple costly 3D finite element analyses in topology optimization and hence has not been attempted. Data-driven models have recently gained popularity as surrogate models in the geometrical design of metamaterials. Gyroid-like unit cells are designed using a novel voxel algorithm, a homogenization-based topology optimization, and a Heaviside filter to attain optimized densities of 0-1 configuration. Few optimization data are used as input-output for supervised learning of the topology optimization process from a 3D CNN model. These models could then be used to instantaneously predict the optimized unit cell geometry for any topology parameters, thus alleviating the need to run any topology optimization for future design. The high accuracy of the model was demonstrated by a low mean square error metric and a high dice coefficient metric. This accelerated design of 3D metamaterials opens the possibility of designing any computationally costly problems involving complex geometry of metamaterials with multi-objective properties or multi-scale applications.


翻译:三重周期最小表面(TPMS)元材料具有数学可控的拓扑结构,表现出比均匀结构更好的力学性能。这种元材料的单元胞拓扑结构可以进一步优化,以改善特定应用的所需力学性质。然而,这种反向设计涉及多次昂贵的三维有限元分析,在拓扑优化中也从未尝试过。数据驱动模型最近在利用几何设计元材料中作为代理模型而变得越来越受欢迎。采用新颖的体素算法、基于均质化的拓扑优化和 Heaviside 过滤器设计了螺旋型单元胞,以获得优化的 0-1密度配置。少量优化数据作为监督学习的输入输出,用三维卷积神经网络模型来学习拓扑优化过程。这些模型可以即时预测任意拓扑参数的优化单元胞几何形状,从而减轻未来设计中任何拓扑优化的需要。通过低均方误差指标和高 Dice 系数指标证明了模型的高准确性。这种加速设计 3D 元材料的方法为设计涉及元材料复杂几何形状的任何计算昂贵问题提供了可能,包括多目标特性或多尺度应用。

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