CMAME | 面向功能梯度超材料力学-声学协同逆向设计的兼容性感知形态学习方法

作者 | 论文团队

编辑丨ScienceAI

近日，曼彻斯特大学Digital Manufacturing Lab 团队在功能梯度超材料（Functionally Graded Metamaterials, FGMs）的多物理场逆向设计方面取得新进展。相关研究成果《Compatibility-Aware Morphology Learning for Mechanical-Acoustic Inverse Design of Functionally Graded Metamaterials》已被计算力学领域国际期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》（CMAME）接收。

论文地址：https://doi.org/10.1016/j.cma.2026.119432

项目代码与数据：https://github.com/JiangY13/FGMInverseDesign

该研究面向功能梯度超材料设计中的一个关键问题：如何在实现不同区域功能差异化的同时，保证空间变化的微结构能够在几何上自然、连续地连接，并进一步降低复杂多物理场仿真带来的高昂计算成本？

针对这一问题，研究团队提出了一种 Compatibility-Aware Morphology Learning（兼容性感知形态学习） 框架，将微结构之间的边界几何兼容性直接嵌入低维设计空间，从而实现不同单胞拓扑之间的连续过渡，并显著提升复杂力学 — 声学协同逆向设计的效率。

01 研究背景：功能梯度超材料为什么难以设计？

超材料通过精心设计的微结构几何，可以获得传统均质材料难以实现的力学、声学、热学等特殊性能。

相比由单一重复单胞构成的周期性超材料，功能梯度超材料允许微结构在空间中逐渐变化，这为多功能结构设计提供了更大的自由度，但也显著增加了逆向设计的难度。

其中，一个尤为关键的问题是几何兼容性（geometric compatibility）。

如果相邻区域采用不同拓扑的单胞结构，即使每一种单胞单独具有优异性能，它们在空间中直接拼接时仍可能出现边界错位、结构断裂或连接不连续等问题。

因此，设计空间不能仅仅描述「什么样的单胞性能更好」，还必须回答：

不同微结构之间能否自然地连接起来？

与此同时，当优化目标涉及声学等多物理场响应时，每一次候选结构评估往往需要进行较为昂贵的数值模拟。随着设计变量和空间分区数量增加，传统直接优化方法的计算成本会迅速增长。

也就是说，该问题同时面临两个核心挑战：微结构的空间兼容性与高成本多物理场计算。

02 核心方法：把兼容性和声学先验学进设计空间

针对上述问题，本研究提出了一套 compatibility-aware morphology learning 框架。

其核心思想是：

不再把结构兼容性作为优化结束之后的额外约束或后处理问题，而是在学习设计空间时，就将兼容性直接编码进去。

从单胞先验中学习低维形态空间，同时编码边界兼容性，使得潜空间中的连续变化能够对应到实际几何空间中的连续结构过渡。因此，当设计变量在低维空间中逐渐改变时，生成的微结构拓扑也能够平滑演化，而不是在不同区域之间发生突变。在获得兼容性感知的 morphology manifold 后，研究进一步将优化过程转移到潜空间（latent space）中进行。

在此基础上，研究进一步结合基于先验的数据筛选策略（prior-based dataset filtering），在进入昂贵多物理场优化之前，对候选结构进行筛选，从而减少不必要的声学数值评估。先筛选具有较好吸声潜力的结构，再在潜空间优化机械性能，从而减少昂贵的多物理场评估。

最终，原本涉及大量高维几何变量和昂贵物理仿真的问题，被转化为一个更加紧凑、可计算的低维逆向设计问题。

图 1 论文图 2 节选：数据筛选、形态学习、结构优化、打印与实验验证的流程。

03 力学 — 声学协同逆向设计

为了验证该框架，研究以力学 — 声学协同设计作为代表性多物理场案例。

其中，声学性能被视为计算成本较高的物理场，而结构力学性能则与其同步优化。

目标并不是单纯寻找「吸声性能最高」的单胞，也不是只追求「刚度最大的结构」，而是在保持良好声学吸收性能的基础上，通过空间上逐渐变化的微结构分布进一步提高整体机械性能。

经过逆向设计后得到的功能梯度超材料被实际制造，并通过力学测试与声学吸收实验进行了验证。

04 性能提升来自梯度设计

研究团队使用 DLP 3D 打印制备试样，并进行压缩、三点弯曲和阻抗管吸声测试。与由单一优化单胞构成的试样相比，逆向设计的梯度结构在保持较高吸声性能的同时，刚度提高 58.1%，弯曲失效载荷提高 78.5%。

图 2 论文图 7 节选：打印试样、压缩与弯曲测试，以及相应的刚度和失效载荷结果。

关键并非简单堆叠更强的单胞，而是按区域安排微结构，并保证相邻位置的几何连续。这样，梯度设计可以在整体受力中发挥作用。

05 吸声表现同样经过实测

声学实验将打印试样置于双传声器阻抗管中，测量 500 至 6000 Hz 的法向入射吸声系数。论文报告，基于筛选数据集的设计在不同单胞家族中保持了较好的吸声表现；图中的曲线展示了各试样随频率变化的实测结果。

图 3 论文图 8 节选：阻抗管装置、吸声试样和实测吸声曲线。

这项工作为「不同区域承担不同功能」的超材料提供了一条可计算的路径：先在表示阶段解决连接问题，再把优化集中到更紧凑的设计空间。该方法不仅可以用于力学 — 声学功能梯度超材料，也为其他涉及多物理场、多拓扑和空间梯度设计的问题提供了一种潜在的通用计算框架。