材料设计试卷模板VIP

材料设计试卷模板材料设计试卷模板 当前 随着电子工业的发展 各种电子设备日益增多 电磁波污染也日 益严重 同时 雷达作为一种成熟的军事侦测手段被广泛应用 而现代战争中 信息的获取与反获取己成为战争的焦点 先敌发现 先敌进攻是 克敌制胜的关键因素 为提高军事目标的生存能力和武器系统的突 防能力 各军事强国将吸波材料广泛应用于武器装备中 刘 3 4 因此针对其进行的隐身技术研究成为了国内外相关机构的研究重点 无论民用还是军用 对于电磁波吸收材料的需求都比较迫切 晨1 2 吸收型吸波材料是指能够通过自身的吸收作用将入射电磁波转化为 其他形式能量消散掉 从而达到减小电磁波反射的一类材料 是吸波 材料研究中的重点方向 晨3 4 按其吸收机理可分为磁损耗型和电 损耗型2类 经过长期研究证实 单一损耗类型或单一组分单层的吸波材料均很难 对全频段 雷达波为2 18GHz 有较为理想的吸收 多损耗多组分匹配与多层吸收是解决此问题的重要方法 晨5 8 随之带来的是实验量的大幅度增加 以吸波理论为指导 对吸波材料进行合理设计 能有效缩短吸波材料 研制的周期 提高实验工作的效率 因此 理论设计已成为吸波材料开发的重要环节 一般来说 吸波材料需要具备两个基本特点 阻抗匹配特性和衰减特 性 刘6l 阻抗匹配特性是指采用特殊的边界 使入射波尽可能多地进入材料 内部而不被反射 衰减特性则是指尽量提高吸波材料对电磁波的衰减 能力 让电磁波迅速衰减损耗掉 刘7l 对于吸波性能 一般用反射率R以及R0 7时有良好的准确性 c a 0 7时近似式不成立 当电路屏与邻近的分界面距离d 0 1 时 上式可以用于多层结构情 形 雷达1516 然后用传输矩阵计算材料表面的反射系数 从而把复杂的电磁散射 问题化为简单的电路问题 采用相同的吸收剂时 电路模拟吸收材料的最佳厚度要比普通材料 大一些 但它具有更大的表面输人阻抗 设计的自由度更大和能得 到更大的带宽等优点 当电路屏是感性时才能减小材料表面的反射系数 证明了感性电路屏 增大材料表面输入阻抗的极大值和材料最佳厚度的计算公式 为电 路模拟吸收材料的设计提供了依据 2 3跟踪计算法跟踪计算法是一种针对多层吸波体的设计方法 雷达1 017 该系统摈弃了传统的设计计算方法 采用跟踪计算法解决了总反射 系数快速计算问题 同时结合单纯形法进行优化 可以方便给出候 选材料的组配方案 性能预报和评价 跟踪计算法的基本原理是 考查人射电磁波在多层介质中的折射和 反射 认为不论人射波和反射波多么复杂 只能存在两种情况 1 波经过多次反射而折射出吸波体 这类波的集合就是吸波体整体 对电磁波的反射波 2 波经过多次反射和折射后已衰减到一个很小的值 这个值与预先 给定的精度相比可以忽略不计 即波已损耗殆尽 采用计算机数值计算方法 模拟电磁波在多层材料中传输的物理机 制 在计算过程中 凡由介质折射或反射到自由空间的波 仅求其总和 而不再进行模拟跟踪 显然 吸波体反射回自由空间中的波的总和与入射波的比值就是吸 波体的反射系数Z 张铁夫等 晨32 利用跟踪计算和频带优化的方法对某纳米吸波剂多 涂层材料进行了理论计算 结果表明此方法拟合出的吸收曲线与实验曲线的峰位基本相符 可以 较准确地预测实验曲线的趋势 3优化方法当设计所要求的材料性能 如工作带宽在某一带宽下的吸 收率 材料允许的几何厚度已知时 优化设计的任务就是选择好材 料的电磁参数 和 或者是在可利用的参数范围内和限定的几何厚 度下 复合这些有特定参数的材料并进行多层结构匹配 使之在要 求的工作波段内获得最佳的吸收效果 从而避免研究工作的盲目性 在给定的全频带内 反射率尽可能小 于是优化的目标函数选择 R F n1jjf 12 n为频带内频率的取样点数 fj 为权函数 可以根据设计 指标的要求对某些频率改变权值 优化过程就是调整优化参量 d 使目标函数尽可能小 优化设计是所有优化参量的综合过程 其结果并非唯一 它与优化 参量的约束条件直接相关 雷达19 常用的优化方法有 遗传算法 单纯形法 罚函数法等 3 1遗传算法遗传算法 Geic Algorithms 简称GA 生物遗传学和适者生存的自然规律 由美国的 John Holland 20 建立 GA的基本思想是从一个初始群体 一组候选解 开始进行迭代 在每 次迭代的过程中都按候选解的优劣进行排序 保留其中优秀的部分 通过一些遗传操作如杂交 变异等运算 产生新一代候选解 重 复这个过程 直到满足某个收敛条件为止 GA的主要计算步骤有 基因编码 产生初始群体 评价群体的优劣 进行遗传操作 评价新一代群体的优劣等 目前 用遗传算法优化设计高性能吸波材料已经取得重要进展 如 轻型宽带吸波材料 新Jau mann吸波体 电路模拟型吸波结构等 雷达2125 肖钢等 晨40 采用了较为简单的二进制染色体编码 对多层吸波材料 进行遗传算法优化 计算了2 4层材料 得到了最优解 研究表明 如何有效地进行编码 提高计算的效率 是遗传算法应用的 关键所在 晁坤等 晨41 利用微遗传算法对含氧化锌晶须的多层吸波材料进行 了优化设计 微遗传算法相比于传统遗传算法具有每代群体规模小 收敛到近优解 快的特点 因此很大程度上缩短了计算时间 3 2单纯形法单纯形法的基本思想是 先算出若干点上目标函数 反 射系数 的值f x 例如在n个搜索变量的n维空间中 算出n 1个点 一个单纯形的各个 顶点 上函数值 然后进行比较 再通过单纯形的迭代计算 舍去其 中最坏的点 目标函数值最大的点 代之以新的点 构成一个新的 单纯形 再进行各点函数值比较 这样逐步逼近极小值的点 最优点 年级15专业材料科学与工程 研究生 第8页 共8页 3 3罚函数法 对于非线性规划问题 可能存在局部最优解 采用某些优化方法 搜索会停在局部最优解上 无法得到整体最优解 有的文献认为 能否求出整体最优解并不重要 程序只要能求出满足 需要的 满意解 就可以了 但是这些称为 满意解 的局部最优 解不能最大限度地发挥材料参数的潜力 用于指导选材 会得到错 误结论 考虑到实际材料参数的限制 较好的局部最优解对选材也有参考价 值 所以满足我们要求的优化方法应该既能求出整体最优解 也能 求出较好的局部最优解 根据这一要求 可以选择罚函数调用的适应性随机搜索法 雷达26 结束语综上所述 在吸波设计的3个层次中 单层多组分材料的等效电 磁参数拟合是设计的基础和难点 式 10 在计算中考虑到了较多的细节 因此具有更好的实用性 多层材料能有效扩展吸收带宽 但也带来了计算量的大幅度增加 在这种情况下 选择适当的优化方案就成为了关键所在 目前 新兴纳米材料的发展为吸波材料拓展了新的发展空间 同时也 为理论设计工作带来了新的挑战 尤其是对最基础的等效电磁参数拟 合环节 以碳纳米管为例 它在实验中表现出了优异的吸波性能 同时具有密 度小 质量填充率低的特点 使其具有很大潜力去达到吸波材料 薄 轻 宽 强 的要求 但对碳纳米管类材料吸波理论计算的报道却比较有限 在我们的研究工作中 发现现有公