Artificially designed composite materials consist of microstructures, that exhibit various thermal properties depending on their shapes, such as anisotropic thermal conductivity. One of the representative applications of such composite materials for thermal control is the thermal cloak. This study proposed a topology optimization method based on a level set method for a heat conduction problem to optimally design composite materials that achieve a thermal cloak. The homogenization method was introduced to evaluate its effective thermal conductivity coefficient. Then, we formulated a multiscale topology optimization method for the composite materials in the framework of the homogenization method, where the microstructures were optimized to minimize objective functions defined using the macroscopic temperature field. We presented examples of optimal structures in a two-dimensional problem and discussed the validity of the obtained structures.


翻译:人工设计的复合材料由微型结构组成,这些结构视其形状不同而具有不同的热特性,例如厌养热传导性。这种复合材料在热控制方面的有代表性的应用之一是热斗。这项研究提出了一种基于热导问题定级方法的地形优化方法,以最佳地设计热导复合材料,从而实现热斗。采用了同质化方法来评价其有效的热导系数。然后,我们在同质化方法的框架内为复合材料制定了一种多尺度的地形优化方法,在同质法的框架内优化了微型结构,以尽量减少使用宏观温度场界定的客观功能。我们介绍了二维问题中最佳结构的实例,并讨论了所获得的结构的有效性。

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