本文關鍵詞：非自然機械性能材料結構的復雜網(wǎng)絡模擬與設計方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)代制造業(yè)對產(chǎn)品的性能要求越來越高,尤其是在機械工程和航空航天領域,而某些性能需求超出了自然界所能提供的范圍,由單一材料構成的產(chǎn)品已無法滿足嚴苛的工作環(huán)境對材料的應用需求。因此,研發(fā)新的具有非自然機械性能的特殊材料成為工程領域亟待解決的問題。非自然機械性能材料(Non-natural Mechanical Properties Material,簡稱NMP)作為新型材料,憑借其可設計性和優(yōu)良特殊性能的特點受到關注并迅速發(fā)展。非自然機械性能材料不能簡單視為一種材料,它具有傳統(tǒng)常規(guī)材料所不具備的非自然機械性能,其本質(zhì)上是結構物。因此,針對這種材料的結構設計需要不同于常規(guī)材料的設計理念,材料與結構的一體化設計是有效發(fā)揮其綜合優(yōu)勢的最佳途徑。復雜網(wǎng)絡理論研究的興起,為網(wǎng)絡科學與材料科學交叉領域的研究引入了新的內(nèi)涵,為先進復合材料的設計注入了新的驅(qū)動力。其中一個重要研究方向,就是以材料組成顆粒為探針,探索材料內(nèi)部顆粒間的相互作用網(wǎng)絡,在微觀結構層次上研究材料的拓撲結構與宏觀性能之間的作用規(guī)律。論文將復雜網(wǎng)絡理論應用于材料的微觀結構設計,尋求解決非自然機械性能材料設計中一些關鍵技術問題的新思路和方法,探索性的采用復雜網(wǎng)絡理論研究材料與結構的一體化設計方法。論文將非自然機械性能材料結構視為一種人工復雜系統(tǒng),以工程領域中非自然機械性能材料的微觀結構設計為研究內(nèi)容,重點從復雜系統(tǒng)的網(wǎng)絡化建模方法、網(wǎng)絡結構的拓撲特性和復雜系統(tǒng)微觀結構與宏觀特性之間關系方面展開研究。完成的研究工作主要包括：(1)利用復雜網(wǎng)絡相關理論,針對非自然機械性能材料微觀結構,建立描述材料微觀拓撲結構的結構網(wǎng)絡模型。采用元結構方法進行非自然機械性能材料結構的設計分析。以負泊松比這種典型的非自然機械性能為例,基于復雜網(wǎng)絡的自相似性提出了元結構的迭代構造過程,分析了元結構的拉脹性能,采用有限元仿真討論了元結構模型參數(shù)對等效泊松比的影響。非自然機械性能材料在微觀層次上可視為由不同顆粒組合在一起形成的一種復雜材料,顆粒之間所建立的連接在整個系統(tǒng)中并不是均勻分布的。針對這種材料微觀結構的描述問題,將構成材料的顆粒表示為網(wǎng)絡中的節(jié)點,顆粒間的作用關系表示為節(jié)點間的連接邊,建立非自然機械性能材料微觀結構網(wǎng)絡模型。該結構模型不考慮材料顆粒的實際形態(tài),根據(jù)顆粒間不同的排列方式構造網(wǎng)絡拓撲結構,不同的網(wǎng)絡拓撲結構對材料的整體性能發(fā)揮著十分重要甚至是決定性的影響。(2)針對元結構參數(shù)約束問題,建立參數(shù)約束模型,對參數(shù)傳遞結構特性進行實證研究。產(chǎn)品變型設計中元結構之間存在多種參數(shù)約束關系,論文提出了元結構參數(shù)約束模型的解析方法,分別從無權和加權網(wǎng)絡的角度,對參數(shù)約束關系網(wǎng)絡進行復雜性分析,探討其傳遞結構及演化規(guī)律；從社團檢測的角度通過計算節(jié)點的相似度,分析節(jié)點之間的結構相似性,采用聚類分析方法實現(xiàn)對模塊結構的劃分,為產(chǎn)品模塊化設計提供理論支持。(3)研究了復雜網(wǎng)絡演化博弈相關理論,并應用于非自然機械性能材料結構設計方面,形成新的材料結構設計方法。論文創(chuàng)新性的將復雜網(wǎng)絡演化博弈理論引入到非自然機械性能材料的結構設計過程當中,首先以傳統(tǒng)的囚徒困境博弈模型為基礎,研究在二維規(guī)則網(wǎng)絡、小世界網(wǎng)絡以及無標度網(wǎng)絡上的空間演化博弈行為。在傳統(tǒng)的囚徒困境博弈中背叛者會占領整個種群,而空間網(wǎng)絡結構的引入,可以使得背叛者與合作者共存,甚至整個種群被合作者所占領；種群中合作頻率隨誘惑因子以及策略更新方式的改變而發(fā)生變化。在復雜網(wǎng)絡演化博弈的研究基礎上,論文提出一種新的基于網(wǎng)絡演化博弈的非自然機械性能材料結構博弈模型。使用復雜網(wǎng)絡模型分析材料的微觀拓撲結構,利用基于混合策略的網(wǎng)絡演化博弈來描述材料組分的分布情況,實現(xiàn)非自然機械性能材料的幾何屬性和材料屬性的有機結合,形成新的材料結構設計方法。(4)設計開發(fā)了非自然機械性能材料的微觀結構設計系統(tǒng)平臺。傳統(tǒng)的CAD軟件系統(tǒng)無法實現(xiàn)對材料分布具有異質(zhì)性的復合材料實體的描述,針對該問題,論文從幾何拓撲信息描述和材料分布信息描述兩方面開展新型CAD軟件系統(tǒng)的研發(fā)工作,利用XML語言設計基于體素的模型文件格式VMF(Voxel Manufacturing File Format), VMF格式能夠同時存儲模型的幾何信息和材料信息,實現(xiàn)了幾何模型和材料模型的有機結合；采用體素建模和分層設計思想,開發(fā)了非自然機械性能材料結構設計系統(tǒng)NMP Design,該系統(tǒng)可以按照不同材料分別導出與材料對應的模型結構,解決了傳統(tǒng)CAD軟件導出模型后丟失結構單元材料信息的問題,并實現(xiàn)了與基于FDM工藝的快速原型設備的快速對接。復雜網(wǎng)絡理論在非自然機械性能材料設計領域具有良好的應用前景,論文的研究工作不僅豐富了復雜網(wǎng)絡理論的研究內(nèi)容,為復雜網(wǎng)絡指導非自然機械性能材料微觀結構設計進行了一次有意義的探索；同時為先進復合材料設計和產(chǎn)品制造領域提供新的思路和方法,具有一定的現(xiàn)實意義。
【關鍵詞】：產(chǎn)品結構設計 非自然機械性能材料 復雜網(wǎng)絡 元結構 結構與材料一體化設計
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB303;O157.5
【目錄】：

• 摘要13-16
• ABSTRACT16-20
• 第1章 緒論20-40
• 1.1 選題背景及意義20-24
• 1.1.1 工程應用背景21-22
• 1.1.2 論背景22-24
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-35
• 1.2.1 產(chǎn)品設計建模技術發(fā)展概況24-26
• 1.2.2 復合材料建模技術發(fā)展現(xiàn)狀26-30
• 1.2.3 非自然機械性能材料研究現(xiàn)狀30-32
• 1.2.4 機械工程領域中的復雜網(wǎng)絡32-35
• 1.3 目前存在的問題35-36
• 1.4 研究目標與研究內(nèi)容36-40
• 1.4.1 研究目標36-37
• 1.4.2 研究內(nèi)容37-38
• 1.4.3 論文組織安排38-40
• 第2章 復雜網(wǎng)絡建模40-60
• 2.1 圖論簡介40-42
• 2.1.1 哥尼斯堡七橋問題40-41
• 2.1.2 網(wǎng)絡描述41-42
• 2.2 網(wǎng)絡統(tǒng)計參數(shù)42-44
• 2.2.1 平均路徑長度42
• 2.2.2 集群系數(shù)42
• 2.2.3 度與度分布42-43
• 2.2.4 社團結構43-44
• 2.3 網(wǎng)絡演化模型44-53
• 2.3.1 規(guī)則網(wǎng)絡44-45
• 2.3.2 隨機網(wǎng)絡45-48
• 2.3.3 小世界網(wǎng)絡模型48-51
• 2.3.4 無標度網(wǎng)絡模型51-52
• 2.3.5 賦權演化網(wǎng)絡模型52-53
• 2.3.6 局域世界演化網(wǎng)絡模型53
• 2.4 真實網(wǎng)絡研究成果53-59
• 2.4.1 工程領域54
• 2.4.2 信息領域54-55
• 2.4.3 技術領域55-56
• 2.4.4 社會領域56-57
• 2.4.5 生物領域57-58
• 2.4.6 真實網(wǎng)絡的統(tǒng)計性質(zhì)58-59
• 2.5 本章小結59-60
• 第3章 基于元結構的非自然機械性能研究60-74
• 3.1 元結構方法60-61
• 3.2 復雜網(wǎng)絡的自相似性與分形61-63
• 3.2.1 Koch曲線61-62
• 3.2.2 Sierpinski三角形62-63
• 3.3 一種非自然機械性能：負泊松比63-66
• 3.3.1 負泊松比的構成機理63-64
• 3.3.2 負泊松比材料的力學性能64-66
• 3.4 基于自相似性的元結構建模方法66-73
• 3.4.1 元結構模型構建66-67
• 3.4.2 元結構模型分析67-69
• 3.4.3 元結構模型參數(shù)對等效泊松比的影響69-73
• 3.5 本章小結73-74
• 第4章 復雜網(wǎng)絡建模及拓撲分析研究74-112
• 4.1 參數(shù)傳遞網(wǎng)絡建模方法75-81
• 4.1.1 參數(shù)傳遞表現(xiàn)形式77
• 4.1.2 現(xiàn)有的參數(shù)傳遞網(wǎng)絡創(chuàng)建方法77-78
• 4.1.3 參數(shù)調(diào)用網(wǎng)絡的構造算法78-79
• 4.1.4 系統(tǒng)實現(xiàn)79-81
• 4.2 復雜網(wǎng)絡拓撲分析研究81-96
• 4.2.1 無權網(wǎng)絡分析82-91
• 4.2.2 加權網(wǎng)絡分析91-96
• 4.3 復雜網(wǎng)絡社團發(fā)現(xiàn)算法研究96-110
• 4.3.1 現(xiàn)有社團發(fā)現(xiàn)算法研究96-100
• 4.3.2 基于邊劃分的加權網(wǎng)絡社團發(fā)現(xiàn)算法100-104
• 4.3.3 實驗結果及分析104-110
• 4.4 本章小結110-112
• 第5章 基于網(wǎng)絡演化博弈的NMP結構模型研究112-136
• 5.1 NMP結構設計的網(wǎng)絡觀112-116
• 5.1.1 NMP的結構特征113-114
• 5.1.2 建立NMP結構模型考慮的因素114
• 5.1.3 NMP結構模型的假設114-115
• 5.1.4 NMP結構網(wǎng)絡拓撲關系描述115-116
• 5.2 空間網(wǎng)絡演化博弈論116-121
• 5.2.1 博弈論基礎116-117
• 5.2.2 復雜網(wǎng)絡上的演化博弈117-121
• 5.3 NMP結構博弈模型描述121-124
• 5.3.1 博弈模型建立122
• 5.3.2 混合策略122-124
• 5.3.3 博弈規(guī)則及策略更新規(guī)則124
• 5.4 基于不同拓撲的NMP結構博弈模型124-129
• 5.4.1 二維晶格網(wǎng)絡拓撲模型125-127
• 5.4.2 BA無標度網(wǎng)絡拓撲模型127-129
• 5.5 數(shù)值分析與討論129-134
• 5.5.1 算例一132-133
• 5.5.2 算例二133-134
• 5.6 本章小結134-136
• 第6章 非自然機械性能材料結構設計系統(tǒng)研究136-154
• 6.1 NMP設計分析系統(tǒng)NMP Design136-137
• 6.1.1 技術可行性136-137
• 6.1.2 系統(tǒng)框架137
• 6.2 NMP Design系統(tǒng)模塊設計137-139
• 6.2.1 主界面設計137-138
• 6.2.2 可視化模塊138-139
• 6.3 NMP Design功能模塊設計139-146
• 6.3.1 文件解析模塊139-143
• 6.3.2 材料模板庫配置模塊143-144
• 6.3.3 體素建模模塊144-146
• 6.4 NMP Design建模實例146-152
• 6.4.1 模型建立146-147
• 6.4.2 模型導入147-148
• 6.4.3 力學分析148-149
• 6.4.4 快速原型試驗149-152
• 6.5 本章小結152-154
• 總結與展望154-158
• 參考文獻158-172
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及參與課題172-174
• 致謝174-176
• 外文論文176-194
• 附件194

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：非自然機械性能材料結構的復雜網(wǎng)絡模擬與設計方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：383680