[發(fā)明專利]疏水多級(jí)微結(jié)構(gòu)的纖維叢拓?fù)鋬?yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011075569.6
• 申請(qǐng)日: 2020-10-09
• 公開（公告）號(hào): CN112380667B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張衛(wèi)紅;鄧永波;劉震宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F113/12
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發(fā)明涉及一種疏水多級(jí)微結(jié)構(gòu)的纖維叢拓?fù)鋬?yōu)化方法，通過對(duì)固體表面多級(jí)微結(jié)構(gòu)支撐的液汽界面建模，計(jì)算與該界面凸起體積極小值對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)疏水多級(jí)微結(jié)構(gòu)的纖維叢拓?fù)鋬?yōu)化方法。該方法克服了目前表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)憑借研究人員直覺和仿生手段的局限性，提高了設(shè)計(jì)方法的適用性、靈活性和效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于疏水多級(jí)微結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明涉及疏水固體表面上周期性多級(jí)微結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)多級(jí)結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計(jì)的纖維叢拓?fù)鋬?yōu)化方法。

背景技術(shù)

潤(rùn)濕是表面化學(xué)的一個(gè)重要研究方向。固體表面的潤(rùn)濕能力可以按疏水性，親水性，疏油性，親油性，雙疏性和雙親性進(jìn)行分類。在具有特殊潤(rùn)濕能力的人工表面微結(jié)構(gòu)研究中，最新成果主要是針對(duì)疏水微結(jié)構(gòu)。

對(duì)于一個(gè)粗糙平面，潤(rùn)濕取決于固體表面自由能和表面微結(jié)構(gòu)構(gòu)型。粗糙平面上的潤(rùn)濕現(xiàn)象具有兩種不同的模態(tài)，分別是Wenzel模態(tài)和Cassie-Baxter模態(tài)。在Wenzel 模態(tài)中，液體完全填充粗糙平面上的微結(jié)構(gòu)。在Cassie-Baxter模態(tài)中，液汽界面和微結(jié)構(gòu)之間存在汽囊，且汽囊會(huì)被束縛在微結(jié)構(gòu)中；此時(shí)，粗糙表面相當(dāng)于一個(gè)固體和氣體的復(fù)合表面，因而粗糙表面疏水性得到有效的增強(qiáng)。當(dāng)增大施加于液體的壓強(qiáng)時(shí)，固體和液體的接觸模態(tài)可以從Cassie-Baxter模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel模態(tài)。該轉(zhuǎn)變過程中，液體會(huì)填滿粗糙表面的微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致疏水性的降低。因此，固體表面上微結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型的合理性決定了微結(jié)構(gòu)抵抗Cassie-Baxter模態(tài)向Wenzel模態(tài)轉(zhuǎn)變的能力。該抵抗能力可通過Cassie-Baxter模態(tài)中液汽界面凸起的體積衡量；并且體積越小，微結(jié)構(gòu)抵抗模態(tài)轉(zhuǎn)變的能力越高。

固體表面微結(jié)構(gòu)主要包括層狀和多級(jí)微結(jié)構(gòu)兩類。層狀微結(jié)構(gòu)可視為對(duì)多級(jí)微結(jié)構(gòu)的近似，且多級(jí)微結(jié)構(gòu)能夠支持更多處于亞穩(wěn)態(tài)的Cassie-Baxter模態(tài)。因此，多級(jí)微結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)受到了更廣泛的關(guān)注。多級(jí)微結(jié)構(gòu)具有幾何上的纖維叢構(gòu)型。目前，多級(jí)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)普遍采用仿生方法，該方法通過模擬自然界植物表面上的紋理微結(jié)構(gòu)獲取相應(yīng)的幾何構(gòu)型。該仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法缺乏嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，并且設(shè)計(jì)效率較低。因此，發(fā)展嚴(yán)格、高效的多級(jí)微結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的必要性。

在已有的結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計(jì)方法中，拓?fù)鋬?yōu)化被認(rèn)為是最為有效的。目前，密度法和水平集法是兩種普遍采用的拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)方法。相比于水平集法，密度法在初值依賴性、收斂效率和多約束處理等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，以下采用密度法給出并實(shí)現(xiàn)疏水多級(jí)微結(jié)構(gòu)的纖維叢拓?fù)鋬?yōu)化方法。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)憑借研究人員直覺和仿生手段的局限性，本發(fā)明提出一種通過對(duì)固體表面多級(jí)微結(jié)構(gòu)支撐的液汽界面建模，計(jì)算與該界面凸起體積極小值對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)疏水多級(jí)微結(jié)構(gòu)的纖維叢拓?fù)鋬?yōu)化方法。

技術(shù)方案

一種疏水多級(jí)微結(jié)構(gòu)的纖維叢拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：設(shè)計(jì)變量定義，包括主機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量和二級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量：

所述的主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量：定義取值于[0,1]的設(shè)計(jì)變量z_m，用以表達(dá)主結(jié)構(gòu)表面Σ；為獲得光滑的主結(jié)構(gòu)表面，對(duì)z_m進(jìn)行以下濾波操作：

對(duì)濾波處理后的主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量z_f做進(jìn)一步的濾波，以獲得主結(jié)構(gòu)上點(diǎn)的豎坐標(biāo)z_s并控制主結(jié)構(gòu)高度：