研究背景：

增材制造赋予了点阵结构前所未有的几何自由度，使单胞拓扑、相对密度及空间排布方式等都可以在同一构件中自由组合与重构。然而这种高自由度同时使设计空间呈指数级膨胀，不同结构基因之间高度耦合，结构—性能关系呈现显著的非线性与跨尺度特征。每一处微观几何的变化可能引发宏观力学响应的显著差异，使得性能预测与优化难度大幅提升。在这种背景下，依赖经验筛选、少量样本试验或围绕单一目标函数进行优化的传统方法，已难以支撑构件尺度下多目标协同调控与区域化功能设计的需求。

文章概述：

近日，西北工业大学林鑫教授团队提出了一种面向增材制造点阵结构的基因组架构设计范式。新加坡科技研究局王盼研究员、上海交通大学王洪泽副教授、日本岛根大学王昊副教授等共同参与本研究。研究团队将点阵结构的几何与工艺参数视为“基因”，将力学性能视为“表型”，实现了从几何“基因”到力学“表型”的映射，并通过高通量计算与数据库构建，建立了可复用、可扩展的结构—性能映射体系，在构件尺度上展现了区域可编程和多目标协同设计能力。

图文导读：

图1. 增材制造Lattice Genome架构的整体流程示意图：(a) 点阵结构基因型，由几何基因和工艺基因组成；(b) 高通量仿真流程，包括基于节点坐标与连接关系的自动化建模、并行有限元分析、自动数据后处理，以及用于性能预测的机器学习代理模型训练；(c) 基于高通量仿真数据建立结构—性能映射关系，构建基因型—表型数据库

图2.可编程应力调控构件的设计与性能表现：(a) 构件设计目标示意图；(b) 构件设计矩阵；(c) 不同点阵结构之间的界面设计；(d) 有限元仿真结果；(e) 九个关键节点的应力–位移曲线；(f) 按点阵单元区域划分的表面区域平均应力；(g) 三个特征位置处设计值与仿真值的对比

图3.可编程点阵结构区域性能调控的设计流程：(a) 试样几何结构与边界条件示意图：顶部施加竖向压缩载荷；内部填充点阵结构；中央预设十字形空腔，作为关键保护区域；(b) 有限元仿真获得的应力分布结果，将每个点阵单元区域内的应力进行均匀化处理，用于指导点阵填充方案；(c) 点阵填充策略：提取各单元区域的应力–应变曲线，从性能数据库中检索匹配的点阵结构，并赋予对应空间位置；(d) 在预设断裂区域两侧布置高刚度层，引导应变集中于中间层，从而促使其优先失效

图4.均匀BCC、区域可编程（RPLS）、全局最强（UML）三种结构在压缩载荷作用下的失效模式与性能对比: (a) BCC结构，失效首先在中央关键区域发生，并向外扩展；(b) RPLS结构，应力集中显著降低，失效发生在远离关键承载区域的位置；(c) UML结构，失效首先在中央关键区域发生，并向外扩展；(d) BCC结构压缩失效后中央区域的变形形貌；(e) RPLS结构压缩失效后中央区域的变形形貌，RPLS的变形程度明显小于均匀点阵结构；(f) 压缩强度对比：RPLS的承载能力显著高于BCC和UML；(g) 不同应变阶段下BCC、RPLS与UML结构均匀化Mises应力分布对比

研究结论：

研究提出的点阵结构基因组架构，将计算密集型探索前置为数据库构建，在构件设计时通过基因检索与重组，大幅降低边际设计成本。该架构将点阵构件设计从“局部优化”推向“数据驱动的可编程工程设计”，为增材制造复杂功能构件提供了一种可扩展、可复用、可迁移的新范式。未来工作将进一步拓展至疲劳、冲击等多物理场耦合构件智能设计，逐步构建共享的数据平台，推动复杂功能结构的智能化设计。

论文信息：

Lattice Genome Framework for Regionally Tailored Component-Level Multi-Objective Design in Additive Manufacturing

Haoyuan Deng, Yufan Zhao*, Mingyang Cao, Haiou Yang, Pan Wang, Hongze Wang, Hao Wang, Akihiko Chiba, Xin Lin*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202522126

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202522126

期刊介绍：

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