以基因演算法設計平面網格複合材料

Abstract

因為3D列印技術的發展，讓仿生複合材料得以跳脫傳統複合材料的製造與設計限制，師法自然界而設計出複雜的複合材料結構，而材料的優化方向也從剛性的強化轉向韌性的提升。也因為仿生複合材料的設計多樣性，機器學習的使用可以降低探索設計空間時所需的人力和時間。現有關於仿生複合材料的研究不勝枚舉，但鮮少有研究提出的從複合材料性質的有限元素模擬、實驗驗證再到機器學習應用相結合的完整方案，這亦是本研究欲達成之目標。 本研究設計一由兩種軟硬材料組合而成的平面網格複合材料，藉由加入少量的軟材料於硬材料中，在不影響其勁度表現的前提下，可以讓複合材料的韌度表現提到提升。本研究引用能量釋放速率和臨界能量釋放速率作為韌度的比較依據，以降低有限元素模擬所需的計算效能和時間，並透過Polyjet 3D列印技術製備試片進行實驗，並確認斷裂韌性與韌度間的關係。本研究也成功建立一套由卷積神經網路和基因演算法組合而成的反向設計方案，藉由卷積神經網路預測複合材料的韌度作為基因演算法的演化參考依據，設計出符合需求的平面網格複合材料。為相關複合材料設計提供一套簡單高效的開發方案。