异质仿生结构 设计、制造与优化 方法论 征求意见稿

1异质仿生结构设计、制造与优化方法论本文件可应用于异质仿生结构产品在中试之前的技术开GB/T37402-2019仿生学仿生GB/T42444-2023仿生学术语、概念与3.1仿生结构材料或构件中，具有周期性分布且能够表明3.2在一定尺度范围内（通常≥100μm），材料的3.3异质仿生结构bionicheterogeneou3.43.5材料优化materialoptimi23.6结构优化structuraloptimi结构分布、连接方式等宏观/介观结构参数进3.7材料-结构跨尺度优化material-structurecross-scaleoptimi4异质仿生结构分类方法异质仿生结构应至少归类于一种分类，分类时宜采用以下任意维度上不同仿生结构单元尺寸比例不小于10的3次35.1.1异质仿生结构设计应满足技术领域特定功能性需求，赋予人工结构材料或构件优异的仿生功能5.1.2异质仿生结构设计应模拟生物异质结构的典型特征及分布规律，在满足一定目标下实现设计要b)原理一致：参照的生物原型与设计的异质仿生结构应在功能原理上保c)界面匹配：经制备获得的异质仿生结构中不同结构界面之间应具有良好的匹配性，对于不能实现良好界面匹配的两种结构，应遴选或计算获得中间介质材料，以实现两种结构的低应力d)功能突出：异质仿生结构设计，应有明确的功能性并以功能实现为前提，如耐磨功能、止裂异质仿生结构设计应遵循如下流程，图表化设a)功能需求分析：应首先分析人工技术领域功能需求目标和指标，并进行科学与技术问题以及b)仿生原型遴选：根据人工领域的技术或原理性需求从生物系统中优选出具有相似结构特征与c)生物原型研究：对选定的目标生物进行深入分析，揭示其异质结构特征规律和功能原理；d)异质仿生结构设计：首先应利用仿生学原理及数字方法对生物异质结构进行抽象、演绎、归纳及优化，之后进行仿生设计，宜包括但不限于异质材料设计、异质结构设计、异质界面设f)试验模拟评价：搭建异质仿生结构产品的模拟工况环境，验证设计模型对满足性能及功能指g)设计优化及迭代：根据计算机模拟和试验模拟结果的反馈，对异质仿生结构设计方案进行逐45.4设计方法5a)生物功能机理揭示：宜通过理化检测、在体/离体功能分析、动/静态力学分析和生物组学研b)结构特征提取：宜通过多模态数据采集技术获取异质结构原型几何形态、材料分布、组织结构和力学性能等参数，并通过图像学、生物电信号、化学识别等方法转化为可量化的信息参c)生物异质结构功能机理建模：宜通过数学方法和计算机技术，对提取的异质原型结构或行为特征进行量化表述，并将其物理与功能特征进行抽象、归纳与演绎，形成参数化模型，建立a)异质材料设计：通过多材料及单材料体系多相结构协同设计，实现分布与性能互补，满足生物适配性、承载效率及环境适应性的技术要求，包括如下1)材料组分设计：宜结合热力学数据库、计算相图、材料基因数据库，利用高通量计算模拟等方法，调控材料组分，实现多组元多相材料结构及性能优势互补，满足异质仿生结2)相分布及微观组织设计：宜采用多物理场诱导、制造工艺、后处理等方法，调控微观相3)材料适配性设计：宜考虑材料间热膨胀系数、熔点、表面润湿性、模量等物理及化学性b)异质结构设计：通过多尺度构型设计及仿生拓扑优化，实现力学承载、功能集成与制造可行1)功能导向的结构优化：宜首先确立轻量化、强韧化等优化目标，再选择拓扑优化、人工2)仿生特征融合：宜通过多模态数据采集技术提取仿生特征参数，构建仿生功能与仿生结c)异质界面设计：应针对多相结合区域，通过成分调控、界面设计及缺陷规避方法，实现力学1)界面强度提升：宜采用微观互锁设计与宏2)缺陷趋势预测：宜耦合多物理场条件，采取适宜的计算模拟及数值仿真方法，分析界面3)界面应力规避：宜采用功能梯度及界面结构匹配设计，建立材料梯度与力学梯度变化规a)多尺度耦合仿生建模：建立关联宏观模块结构、介观物理结构以及微观粒子结构的多级尺度耦合仿生模型，实现结构多功能化及更佳的环b)多物理场耦合建模：设置建立流-固耦合及热-力耦合等多物理场模型，使仿生模型更接近真6c)数字孪生耦合动态建模：根据真实服役工况及环境参数，建立异质仿生结构参数与工况动态参数的信息交互模型，实现异质仿生结构设计的虚实同步与动关键结构（如界面连接处等）开展微观组织及性能试验等方法，进一步验证仿生设计方案可行性及产品功能合性能；同时还应评价由异质结构匹配带来的综合性能以及节能节材、轻量化等经济6.1.1异质仿生结构的制造应注重考虑制工艺与方法可以是传统的、常规的，也可以是仿生的、先进的，但都应具有6.1.2异质仿生结构制造的精度和效率是相互矛盾的问题，应根据实际工程需要和产品性能指标要求6.2制造方法6.2.1异质仿生结构制造时应依据其分类特征选用适当的方法进6.2.2增材制造及其复合手段，包括分步实施的增-等-减材联合手段应是异质仿生结构制造的主流方ABCDEFGHIJ○√√√√√√√√√○√√√√√√√√√○√√√○√√√○√√√√√√√√○√○7○√√√√√√√√√√√√√○√√√√√√○√√√√√√√√√√√√√√√○√√√○√√√√○√√√√○○√√√√○√√√√√○√√√○√√√√√√√√○○√√√○√○√√√○√√√√√√√√√√○○√√√√√√√√○○○√√√○√√√√√○√√√○√√√√√○√√√√√√√√√√√√√√√√√○√√√√√○√√√√√6.3制造过程6.3.1制造过程应包括原材料选择、工艺规划、参数设置、设备调试、制造实施、后处理、工艺优化6.3.2制造过程由计算机辅助完成，宜逐步实现多源异构制造参数融合与全程数字化制造。6.4后处理a)增材制件支撑去除：应在机械加工、线切割等传统方法外，重点开发化学法、智能化与数字b)调质处理：在综合平衡多相材料各自性能的基础上，宜重点建立适合异质界面处的热处理制度，以提升异质界面成形质量，保证整体力学8c)表面处理：在切削、抛光、喷丸等传统表面处理方法基础上，应开发新的表面处理技术，如7.1.1在异质仿生结构产品设计与制造过程中，除应针对仿生产品设计模型、性能指标及功能实现等7.2材料优化材料优化（见3.6）应满足功能适配性、材料a)材料组分优化：宜采用第一性原理计算、分子动力学模拟、相变热力学及动力学等方法，结合人工智能算法进行优化，基于材料组分调控多相c)界面优化：宜采用第一性原理计算、分子动力学、相场模拟等方法构建两相模型，并结合数据驱动方法，控制与优化界面过渡区成分分布、界面结构稳定性、界面连接结构等；d)性能匹配优化：宜参考多元耦合、刚柔耦合、多层级耦合等仿生设计原理，并结合结构力学7.3结构优化7.3.1结构优化是指通过仿生学原理与计算设计方法，对异质仿生结构构件的拓扑构型、几何参数及分布特征进行系统性改进，实现多目标协同提升的技术过程，宜包含但不限于以下优a)功能导向的结构优化：宜根据设计的功能需求，如轻量化、机械强度等，建结构多因素影响模型，再利用遗传算法等进行全局最优解搜索，还可利用粒子群算法等，降b)工况约束的结构优化：宜根据普适工况、极端工况及实际工况，提出影响异质仿生结构功能实现的工况指标，再利用神经网络等智能算法学习并识别关键工况参数与功能之间的关系，进而通过调整这些参数来优化结构、预测不同工况参数下的产品性能，并给出优化建议；c)承载约束的结构优化：宜采用遗传算法等智能优化算法辅助结构优化，根据异质仿生结构的受力特性和约束条件，不断调整异质结构特征尺寸、形状及分布等，直到找到最优或近似最d)有序异质结构优化：宜基于具有有序结构分布特征的仿生原型，例如具有分形结构特征的生物原型、具有层状结构特征的生物原型、具有多孔结构特征的生物原型等，首先进行分形分维优化设计，再采用粒子群算法等，优化异质结构层叠顺序，调整结构排列组合，以提高整7.3.2面向性能或功能需求目标进行优化时，宜参考7.3.3在进行异质仿生结构相关结构设计优化工作时，宜参考GB/T374097,4材料-结构跨尺度优化7.4.2材料-结构跨尺度优化过程应考虑以7.5.1制造工艺优化应改进异质仿生构件成形手段、工艺参数及过程控制方法等，实1)效率低：宜针对更大异质仿生结构单步制造并优化制造方式，同时引入人工智能优化提升全流2)质量差：宜在异质仿生结构产品设计、制造装备、制造流程的局部、全局与全域范围进行优化，并采用六西格玛管理控制、统计过程控制等方法提3)设备瓶颈：宜参照表2提及的制造方式，并从设备参数、制度入手，建立异质仿生结构产品制造的设备关联参数优化模4)数据复杂：宜采用机器学习辅助法、神经网络优化辅助法等优化数据结构，并建立异质2)宜采用机器学习等智能算法辅助优化迭1)模型构建要求：集成在线