一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化及制备方法

技术领域

本发明属于电磁波吸收及屏蔽材料的优化设计技术领域，涉及一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，同时也涉及一种基于优化设计结果进行宽频吸波夹层结构的3D打印加工制备方法，可以实现对吸波夹层结构进行快速优化设计，且加工制备的吸波夹层结构具有吸波性能好、易于制作以及成本低等优点。

背景技术

吸波材料是一种能够有效吸收电磁波能量从而降低电磁波反射的材料，在雷达隐身、电磁干扰抑制、声波吸收等领域具有重要应用。按照其承载特性，吸波材料可以分为涂覆型吸波材料和结构型吸波材料。其中，涂覆型吸波材料是指将吸波剂涂覆在金属或其他基体上形成的薄膜或涂层，其优点是制备简单、成本低，但其缺点是吸波性能较差、吸收频段窄、承载能力弱。结构型吸波材料是指将吸波剂与结构材料相结合而形成的整体结构，利用结构的设计来实现吸波，因其承载性能好、吸收频段宽、可设计性强等优点受到了广泛关注。结构型吸波材料通常为一种多层或夹层结构，由透波层、吸波层以及反射层构成，通过对吸波层的厚度及材料进行设计，可以实现阻抗匹配，进而提高对电磁波的吸收能力。夹层结构恰好具有多层的特征，理论上，通过合理的设计就可以实现阻抗匹配，因此，在吸波领域具有巨大的潜力。

夹层结构是由面板以及中间的蜂窝芯或其他填充物组成的一种轻质高强的复合结构。夹层结构具有良好的阻尼性能和隔音性能，同时也具有较强的电磁波吸收能力。夹层结构的电磁波吸收机理主要包括以下几个方面：（1）透波层对入射电磁波产生反射和折射；（2）吸波层对透过电磁波产生阻抗匹配和能量耗散；（3）反射层对未被吸收的电磁波产生二次反射和干涉。通过对夹层结构的面板、芯材、厚度、形状等参数进行合理的设计和优化，可以实现对电磁波频率、角度、极化等因素的调控，从而达到最佳的吸波效果。

目前，夹层结构吸波材料的设计方法主要分为两类：实验方法和数值方法。实验方法通过搭建电磁波测试系统以对不同参数的夹层结构样品进行电磁波反射率或透射率的测量，通过比较和分析确定最优参数组合，其缺点是耗时耗力，需要大量的样品制备和测试，成本高，效率低。数值方法是通过建立夹层结构吸波材料的数学模型，通过数值计算方法对夹层结构的电磁波传播过程进行模拟和分析，从而得到其吸波性能曲线。数值方法的优点是灵活高效，可以快速地对夹层结构的各种参数进行变化和探索，成本低，效率高，但仍需要大量的重复计算，以确保设计的准确性和可靠性。

综上所述，现有夹层结构吸波材料的设计方法主要依赖于实验方法和数值方法，这两种方法都存在一定的局限性和不足，如何实现对夹层结构吸波材料的快速优化设计，并保证后续加工制备的吸波夹层结构具有吸波性能好、易于制作以及成本低等优点是亟待解决的技术问题。

发明内容

（一）发明目的

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明提供了一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，并以此为基础提供了一种基于优化设计结果进行宽频吸波夹层结构的3D打印加工制备方法，从而实现了对夹层结构吸波材料的快速优化设计，减少了冗杂的实验摸索工作，缩短了设计周期，同时采用本发明制作的夹层结构具有吸波性能好、易于制作以及成本低的优点，更好满足了应用的需求。

（二）技术方案

为实现该发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第1个发明目的在于提供一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法，所述宽频吸波夹层结构至少包括上下面板、设置在所述上下面板之间的若干层具有不同孔径的蜂窝层、设置在相邻各所述蜂窝层之间的粘接层，其中，各所述蜂窝层的材料为添加有不同体积分数纳米吸波颗粒的热塑性聚酯材料，粘接层的材料为纯的热塑性聚酯材料，上下面板的材料均为纤维增强的热塑性聚酯材料，其特征在于，所述优化设计方法至少包括如下实施步骤：

SS1. 首先确定整体的优化目标、设计变量以及约束条件，其中，所述优化目标至少包括蜂窝层整体的吸波带宽

SS2. 采用差分进化算法作为优化算法，并确定初始种群中个体数量

SS3. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中纳米吸波颗粒填充比例

SS4. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中蜂窝孔的内外孔径

SS5. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层的厚度

SS6. 对于每个个体，建立优化目标函数

SS7. 根据差分进化算法的原理，对当前种群进行变异、交叉和选择操作，并更新保留最佳个体；

SS8. 反复迭代，判断是否到达迭代终止条件，所述迭代终止条件为达到预先设置的迭代次数或者适应度值达到预先设定的阈值，满足迭代终止条件后停止迭代，输出最佳个体对应的最佳设计变量

优选地，上述步骤SS1中，确定所述优化目标为蜂窝层最大化的吸波带宽

优选地，上述步骤SS2中，采用自适应差分进化算法作为优化算法，动态调整变异因子

进一步地，使用以下公式实现自适应差分进化算法，使得优化过程中能够保持多样性和收敛性的平衡：

其中，

进一步地，当

优选地，上述步骤SS2中，根据蜂窝层的结构参数和材料参数，预先估计其设计变量的合理范围，并在该范围内进行初始种群的随机初始化，以避免产生不符合物理规律或工程实际的不可行解。

进一步地，使用以下公式实现预估设计变量范围，以提高优化效率和质量：

其中，

优选地，上述步骤SS3中，所述纳米吸波颗粒选择非磁性颗粒，各蜂窝层中蜂窝壁的等效复磁导率

其中，

进一步地，上述步骤SS4中，所述纳米吸波颗粒选择非磁性颗粒，各蜂窝层的宏观等效复磁导率

其中，

优选地，上述步骤SS5中，多层蜂窝层材料的等效反射损耗

其中，

上式中，

进一步地，上述步骤SS5中，基于如下子步骤计算蜂窝层的吸波带宽

SS51. 首先设定一频率范围，所述频率范围根据实际应用场景的需要或实验数据进行设定；

SS52. 在步骤SS51设定的频率范围内按照设定的采样频率步长进行频率采样，得到一系列离散的频率点；

SS53. 对于采样得到的每一个离散的频率点，逐一计算蜂窝层在该频率点下的等效反射损耗值

SS54. 统计所有

SS55. 将满足条件的频率点数量乘以所述固定频率步长，得到吸波带宽

进一步地，上述子步骤SS52中，为了提高计算精度和效率，根据

进一步地，采用以下公式进行自适应频率采样，根据

其中，Δ

优选地，上述步骤SS6中，采用以下惩罚函数对不满足约束条件的个体进行惩罚处理：

其中，

优选地，上述步骤SS7中，采用精英保留策略以确保优化算法能够有效地保留和利用已有的优秀解，在每一迭代过程中，始终保留当前种群中的最优个体，确保其不会在变异、交叉和选择操作中被丢弃。通过这种精英保留策略，避免算法在后期迭代过程中出现退化情况，从而有助于保证算法的稳定性和解的质量。

本发明的第2个发明目的在于提供一种基于3D打印技术的宽频吸波夹层结构的制备方法，基于上述第1个发明目的所提供的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法得到的优化设计结果，其特征在于，所述制备方法的具体步骤如下：

首先，基于优化设计阶段得到的最佳吸波颗粒体积分数

之后，根据最佳设计变量

最后，使用3D打印设备按照设计的自下而上打印路径制备宽频吸波夹层结构。

本发明的第3个发明目的在于提供一种宽频吸波夹层结构，其特征在于，所述宽频吸波夹层结构基于上述第1个发明目的所提供的基于3D打印技术的宽频吸波夹层结构的制备方法加工制备而成。

优选地，所述宽频吸波夹层结构中，上面板使用玻璃纤维增强的热塑性聚酯材料进行制备，下面板使用碳纤维增强的热塑性聚酯材料进行制备。

（三）技术效果

同现有技术相比，本发明的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化及制备方法，具有以下有益且显著的技术效果：

（1）本发明采用了多层蜂窝层结构作为吸波材料的基本单元，每一层蜂窝层中的蜂窝壁由添加有不同体积分数纳米吸波颗粒的热塑性聚酯材料构成，上下面板由纤维增强的热塑性聚酯材料构成，相邻各层蜂窝层之间由纯的热塑性聚酯材料粘接。这种结构设计可以有效地提高吸波材料的机械强度和稳定性，同时利用纳米吸波颗粒和蜂窝孔的多重散射和干涉效应，实现对电磁波的宽频吸收。

（2）本发明采用进化算法作为优化算法，以最大化吸波带宽为优化目标，以每一层蜂窝层的高度、蜂窝孔的内孔径和外孔径、纳米吸波颗粒的填充比例为设计变量，并根据蜂窝层的总厚度、单层厚度范围、蜂窝孔的内外孔径范围、纳米吸波颗粒的填充比例范围等约束条件进行优化设计，能够快速地在给定的设计空间中寻找到最优设计，从而实现对吸波带宽的最大化，大大减少了传统设计方法中所需的冗杂的实验摸索工作，缩短了设计周期。

（3）本发明基于优化设计结果，提供了一种宽频吸波夹层结构的3D打印加工制备方法，该方法利用3D打印技术，实现了对宽频吸波夹层结构的快速、精确和低成本的制作。这种制作方法可以有效地避免了传统的切割、粘接等工艺过程中可能产生的缺陷和误差，同时也节省了材料和时间的消耗，提高了制作效率和质量。

附图说明

图1所示为本发明提出的一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法流程示意图；

图2所示为本发明优化设计及加工制备的宽频吸波夹层结构示意图；

图3所示为本发明提出的一种基于3D打印技术的宽频吸波夹层结构的制备方法示意图；

附图标记说明：

上面板10，下面板20，蜂窝层30，粘接层40。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

实施例1

本发明提出的一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法如图1所示，所优化设计以及加工制备的宽频吸波夹层结构如图2所示，该夹层结构由若干层（图2中示出的是3层的情形）具有不同孔径的蜂窝层30、2层粘接层40以及上面板10、下面板20构成。其中，每层蜂窝层30的材料为添加有不同体积分数氧化石墨烯GO（即纳米吸波颗粒）的PLA（热塑性聚酯材料），粘接层40为纯的PLA，上面板10为玻璃纤维增强PLA，下面板20为碳纤维增强PLA。由于各层材料中的基体材料一致，因此层和层之间的匹配性较好。

如图1所示，本发明提出的一种基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法在实施时至少包括如下实施步骤：

SS1. 首先确定整体的优化设计目标（本发明中以吸波带宽为优化目标）、设计变量（本发明中以蜂窝层的单层厚度

SS2. 随后采用合适的优化算法进行迭代，本发明中以用差分进化算法作为优化算法，并确定初始种群中个体数量

SS3. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中纳米吸波颗粒填充比例

SS4. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层中蜂窝孔的内外孔径

SS5. 对于每个个体，基于其设计变量中每一蜂窝层的厚度

SS6. 对于每个个体，建立优化目标函数

SS7. 根据差分进化算法的原理，对当前种群进行变异、交叉和选择操作，并更新保留最佳个体；

SS8. 反复迭代，判断是否到达迭代终止条件，所述迭代终止条件为达到预先设置的迭代次数或者适应度值达到预先设定的阈值，达到迭代终止条件后得到最佳设计参数

实施例2

作为本发明在实施例1的基础上进一步优选的实例，上述步骤SS1中，确定所述优化目标为蜂窝层最大化的吸波带宽

上述步骤SS2中，采用自适应差分进化算法作为优化算法，动态调整变异因子

其中，

此外，上述步骤SS2中，根据蜂窝层的结构参数和材料参数，预先估计其设计变量的合理范围，并在该范围内进行初始种群的随机初始化，以避免产生不符合物理规律或工程实际的不可行解。使用以下公式实现预估设计变量范围，以提高优化效率和质量：

其中，

上述步骤SS3中，所述纳米吸波颗粒选择非磁性颗粒，各蜂窝层中蜂窝壁的等效复磁导率

其中，

上述步骤SS4中，所述纳米吸波颗粒选择非磁性颗粒，各蜂窝层的宏观等效复磁导率

其中，

上述步骤SS5中，多层蜂窝层材料的等效反射损耗

其中，

上式中，

。

进一步地，上述步骤SS5中，基于如下子步骤计算蜂窝层的吸波带宽

SS51. 首先设定一频率范围，所述频率范围根据实际应用场景的需要或实验数据进行设定；

SS52. 在步骤SS51设定的频率范围内按照设定的采样频率步长进行频率采样，得到一系列离散的频率点；

SS53. 对于采样得到的每一个离散的频率点，逐一计算蜂窝层在该频率点下的等效反射损耗值

SS54. 统计所有

SS55. 将满足条件的频率点数量乘以所述固定频率步长，得到吸波带宽

作为一种优选，上述子步骤SS52中，采样频率步长为固定步长。例如以0.1GHz作为固定的采样频率步长，计算2GHz~18GHz频率下的RL值，统计结果低于-10db的频率数量，累加得到的值即为吸波带宽。（比如，以0.1GHz为步长，总的频率计算个数为（18-2）/0.1+1个，如果有20个频率对应的RL值小于-10db，则带宽为0.1*20=2GHz）。

作为另一种优选，上述子步骤SS52中，为了提高计算精度和效率，根据

其中，Δ

上述步骤SS6中，采用以下惩罚函数对不满足约束条件的个体进行惩罚处理：

其中，

上述步骤SS7中，采用精英保留策略以确保优化算法能够有效地保留和利用已有的优秀解，在每一迭代过程中，始终保留当前种群中的最优个体，确保其不会在变异、交叉和选择操作中被丢弃。通过这种精英保留策略，避免算法在后期迭代过程中出现退化情况，从而有助于保证算法的稳定性和解的质量。

实施例3

本发明提出的一种基于3D打印技术的宽频吸波夹层结构的制备方法如图3所示，基于上述实施例1所提供的基于进化算法的宽频吸波夹层结构的优化设计方法得到的优化设计结果，首先基于优化设计阶段得到的最佳吸波颗粒体积分数

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。