左手超材料传输特性的变形影响机理及稳健性设计

The transmission performance for left-handed metamaterials is influenced by microstructure configurations and the material deformation in engineering requirements of load bearing or temperature variation. Therefore, microstructure configurations and the material deformation should be simultaneously considered and effectively analysed. This project presents a study on the robust design optimization of left-handed metamaterial microstructure based on a deformation influence model. A novel method and technique that simultaneously design the transmission performance of left-handed metamaterials and load bearing requirements will be developed. The research contents include: Firstly, the deformation influence model for equivalent electromagnetic parameters of left-handed metamaterials will be established. Physical mechanisms for the deformation influence on the transmission performance are to be discussed. Then based on the deformation influence model, a representation approach of left-handed metamaterial microstructure topology description will be studied, and the formulation and the corresponding solution strategy of the robust design optimization will be established. Finally, simultaneously considering the influences of the microstructure topology and the material deformation, the corresponding theory and method of left-handed metamaterial collaborative optimization design will be proposed.

工程应用中，由于承载要求或者温度变化引起的变形因素，左手超材料的传输特性会受到微结构构型和材料变形的双重影响，因此设计时需要对这两种影响进行全面分析。本课题研究基于变形协同影响模型的左手超材料传输性能稳健性设计优化问题的数学提法、求解方法和实现技术，发展实现左手超材料传输特性和力学承载要求一体化并发设计的系统方案。具体研究内容包括：研究建立左手超材料等效电磁参数关于微结构几何参数变形关系及其组分材料电磁参数变形关系的协同影响模型，探讨变形状态对左手超材料传输特性的影响机理；在变形协同模型的基础上，研究适用于变形状态下左手超材料微结构的拓扑描述方式，进而研究考虑变形约束的左手超材料稳健性设计优化的问题提法和有限元求解策略；同时考虑微结构拓扑和材料变形对左手超材料传输特性的影响，研究建立左手超材料传输特性和变形控制指标协同优化设计的理论和方法。

工程应用中，由于承载要求或者温度变化引起的变形因素，左手超材料的传输特性会受到微结构构型和材料变形的双重影响，因此设计时需要对这两种影响进行全面分析。本项目研究了左手超材料传输特性的变形影响机理，建立了左手超材料传输特性的精确分析模型，提出了超材料基元布局和微结构构型一体化并发设计的系统方案。具体成果包括：（1）建立了拉伸变形和扭转变形对纯铜电导率的影响模型，并基于此提出了影响尺寸参数关于拉伸应变的函数关系式，建立了的拉伸应变影响模型，阐释了磁等离子体频率不受轴向拉伸变形影响的机理；（2）提出了均匀材料折射率完整的解析表达式，建立了金属棒电等离子体理论和开口金属环磁谐振理论的精确分析模型，建立了一种考虑超材料结构中间胞元非均匀性的精确多层分析模型；（3）提出了应变作用下的超材料微结构构型设计问题的提法和求解方法，建立了超材料基元布置形式和微结构拓扑协同设计的优化模型。已发表国内外期刊及会议论文7篇，获授权国家专利3项，培养硕士研究生3名。完成了研究计划规划的任务，实现了预期目标。