具有表观压电性的挠曲电超材料拓扑优化
应用物理
2023-11-15 v2 数值分析
数值分析
计算物理
摘要
挠曲电效应将极化与应变梯度以及应变与电场梯度耦合，对介电体具有普遍性，但与压电性相比，它更难利用，因为它需要场梯度且是一种小尺度效应。这些缺陷可通过适当设计由非压电基材制成但表现出表观压电性的超材料来克服。我们开发了一个理论与计算框架，通过使用笛卡尔 B 样条方法精确建模挠曲电控制方程、以水平集描述几何形状，并借助遗传算法进行优化，对此类超材料的代表性体积单元进行拓扑优化。我们考虑了一个多目标优化问题，其中面积分数与四种基本压电功能（应力/应变传感器/执行器）相互竞争。我们在计算上获得了帕累托前沿，并根据所优化的表观压电系数讨论了不同的几何构型。总体而言，我们发现与石英和 PZT 陶瓷等参考材料相比，表观压电性具有竞争力的估计值。这为利用更广泛、更廉价且高效的类材料设计用于传感、驱动和能量收集的设备开辟了可能性。
引用
@article{arxiv.2303.09448,
title = {Topology optimization of flexoelectric metamaterials with apparent piezoelectricity},
author = {Francesco Greco and David Codony and Hossein Mohammadi and Sonia Fernandez-Mendez and Irene Arias},
journal= {arXiv preprint arXiv:2303.09448},
year = {2023}
}