1.一种面向渗流性能的五模超材料骨支架多尺度拓扑优化方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:(1)通过基于等效渗透系数的均匀化方法计算五模超材料点阵的每个梯度点阵样本的宏观等效渗流属性;(2)采用Kriging预测模型对所有梯度点阵样本的孔隙率及对应的宏观等效渗流属性进行拟合以构建代理模型,并通过该代理模型来预测待优化多孔结构的任意孔隙率点阵的宏观等效渗流属性;(3)将待优化多孔结构的宏观设计域通过有限元方法离散为若干个单元,进而基于点阵的宏观等效渗流属性及该代理模型构建以能量损耗最小为目标的拓扑优化模型,采用拓扑优化模型优化宏观设计域内每个单元内梯度点阵的孔隙率,进而得到所需几何形状的三维多孔结构;拓扑优化模型的数学表达式为:Find: Minimize: Subjectto: u=K p P,其中, 为构造有限元网格的y个有限元单元的初始孔隙率,y为有限单元的数量; 为设计变量场,C为目标函数,P T K p P表示结构的能量损耗,P为渗流压力场,K p 为粘度矩阵,G表示结构的流体体积约束,V max 为允许的最大流体体积,V为单元体积分数,Ω PM 为总宏观设计域,u为渗流速度场, 为设计变量的下边界, 为设计变量的上边界;其中,采用优化准则法优化宏观设计域内每个单元内梯度点阵的孔隙率,更新设计变量的方法为优化准则法,对应的表达式为:其中, 为迭代第k+1步的孔隙率, 为迭代第k步的孔隙率,τ、 η 分别为步长限制和阻尼系数, 和 分别为最小孔隙率和最大孔隙率, 为更新因子。
2.如权利要求1所述的面向渗流性能的五模超材料骨支架多尺度拓扑优化方法,其特征在于:根据得到的优化后宏观设计域内所有梯度点阵的孔隙率,基于水平集函数以及形状插值获得每个单元内具体的梯度点阵构型,并通过映射策略将得到的梯度点阵构型填入对应的单元中,以得到所需几何形状的三维多孔结构。
3.如权利要求1所述的面向渗流性能的五模超材料骨支架多尺度拓扑优化方法,其特征在于:步骤(1)之前还包括通过基于等效渗透系数的均匀化方法计算五模超材料点阵的每个梯度点阵样本的宏观等效渗流属性的步骤。
4.如权利要求1所述的面向渗流性能的五模超材料骨支架多尺度拓扑优化方法,其特征在于:原型点阵为五模超材料点阵。
5.如权利要求4所述的面向渗流性能的五模超材料骨支架多尺度拓扑优化方法,其特征在于:生成的梯度点阵样本的数量为20个,且梯度点阵样本的孔隙率呈等差数列,所述梯度点阵样本的大端直径为0.9mm,小端直径的范围为[0.4,1.4]mm,对应的孔隙率范围为[0.7256,0.8622]。
6.如权利要求1-5任一项所述的面向渗流性能的五模超材料骨支架多尺度拓扑优化方法,其特征在于:基于等效渗透系数的均匀化方法计算梯度点阵样本的宏观等效渗流属性,所用的公式为:其中,Ω为五模超材料点阵的体积,<u> Ω 是流体平均速率,μ是动力粘性系数, 是渗透系数张量, 是平均压力梯度,<b> Ω 是施加的平均体力。
7.如权利要求6所述的面向渗流性能的五模超材料骨支架多尺度拓扑优化方法,其特征在于:<u> Ω 通过对微观尺度速度场u取均值得到,对应的公式为:微观尺度的特征流场u通过求解不可压缩Stokes方程得到,对应的公式为:其中,u为单位体力作用下的流体速度张量,p为相应体力作用下的压力场,b为施加的单位体力。