受柚子皮结构启发的夹层复合板材的自由振动行为研究：采用可解释的机器学习方法

《Scientific Reports》：Free vibration behaviour of pomelo peel–inspired sandwich composite plates with additively manufactured cores: an explainable machine learning approach

　　

摘要

采用仿生细胞结构的夹层复合板材能够在轻质结构应用中有效实现高刚度与重量比，并提升振动性能。本研究通过实验、数值分析和数据驱动的方法，探讨了含有柚子皮启发式聚合物核心（PIM02）的玻璃纤维/环氧树脂夹层板材的自由振动行为。面板的弹性特性通过脉冲激励技术（ASTM E1876）进行实验测定，而增材制造的PLA核心的剪切特性则采用另一种动态方法进行测量。在多种边界条件下进行实验测试，以验证在ANSYS APDL中利用一阶剪切变形理论（FSDT）建立的有限元模型，其误差控制在6–7%以内。验证后的模型通过改变弹性特性、剪切模量、密度、纤维重量占比及层压结构参数，生成了参数化数据集。通过训练监督式机器学习回归模型来预测第一模态自然频率，其中Extra Trees回归器的预测性能最佳（R2 ≈ 0.997）。可解释人工智能分析表明，平面内和平面外的剪切模量对振动响应影响最大，这突显了剪切刚度的关键作用，并为基于柚子皮结构的夹层板材的抗振设计提供了指导。