一种基于渐变胞元尺寸的异型三维点阵结构隔热性能优化设计方法与流程

文档序号:23004477发布日期:2020-11-20 11:54阅读:325来源:国知局
一种基于渐变胞元尺寸的异型三维点阵结构隔热性能优化设计方法与流程

本发明涉及结构热控和优化设计技术领域,具体涉及一种基于渐变胞元尺寸的异型三维点阵结构隔热性能优化设计方法。



背景技术:

高超声速飞行器在飞行过程中温度可达1000摄氏度以上,高温产生的热应力会对飞行器结构造成破坏,内部仪器设备由于高温也容易发生安全隐患问题。因此,在飞行器表面敷设热防护系统(tps)以降低结构内部温度成为设计中不可或缺的环节。金属材料由于其固有的延展性及成型灵活性,非常适用于集成式热防护系统,比如蜂窝芯板、波纹芯夹层板,以及近年来备受关注的三维点阵芯夹层结构。随着对飞行器的设计速度不断增长的需求,迫切需要在具备极限轻量化的前提下,进一步优化集成式热防护系统的结构,从而改善其隔热和承载性能。

传统的三维点阵夹芯结构的胞元类型主要包括体心立方、面心立方、金字塔、kagome等构型有限的杆状胞元,其胞元构型设计严重受制于制造工艺,设计空间有限,且针对该类结构的研究基本上聚焦于力学承载性能,对其隔热特性的研究以及针对新型三维点阵结构优化设计的研究较为少见。



技术实现要素:

本发明针对现有技术中的不足,提供一种基于渐变胞元尺寸的异型三维点阵结构隔热性能优化设计方法,通过对异型三维点阵结构进行传热仿真分析,得出不同胞元尺寸对异型三维点阵结构隔热性能的影响规律,再根据温度分布对异型三维点阵结构进行渐变胞元尺寸优化设计,能够在保持点阵体积不变的情况下提高隔热性能。

为实现上述目的,本发明提供的技术方案是:

一种基于渐变胞元尺寸的异型三维点阵结构隔热性能优化设计方法,包括以下步骤:

步骤1,根据异型三维点阵结构的形貌变化特性,设计不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构单胞,再将其分别按周期性排列在同等大小的包围空间内,得到不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构;

步骤2,对设计好的异型三维点阵结构模型进行预处理后,导入有限元分析软件,进行网格剖分、边界条件设置及有限元仿真求解分析,得到不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构稳态温度云图;由于比表面积越大会促进异型三维点阵结构的散热作用,通过对比温度云图可知,胞元尺寸越小则异型三维点阵结构隔热效率越高;

步骤3,分析要优化设计的某尺寸下异型三维点阵结构的稳态温度云图,根据步骤2中的结论,在温度高的区域拟使用较小尺寸的异型三维点阵结构胞元,在温度低的区域拟使用较大尺寸的异型三维点阵结构胞元;

步骤4,因为温度呈连续变化,所以将温度递减方向作为胞元尺寸递增方向;胞元尺寸逐渐变化则垂直于变密度方向每层的胞元数量不同,通过将异型三维点阵结构胞元骨架往整体结构某固定轴位置扭转一定角度,使得不同层间数量不同的胞元可以顺利连接,在胞元尺寸渐进变化同时保证结构的连续性。

步骤1中,设计以晶胞为基本微观单元的曲面点阵,可采用diamond结构、gyroid结构、iw结构或tub-primitive结构,使用几何建模算法直接生成三维曲面点阵,通过调整参数生成不同尺寸或相对密度的胞元。

步骤1中,调整参数生成不同尺寸的单胞,将其分别按周期性排列组合在同等大小的包围空间内,得到几个不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构;当胞元尺寸越小时,异型三维点阵结构在包围空间中的材料分布就会更均匀,因而比表面积越大。

步骤2中,通过几何建模算法生成的异型三维点阵结构单胞由三角面片拼接而成,包含表面形状信息,使用网格划分软件将其内部进行四面体网格划分以转换成实体结构。

步骤3中,胞元尺寸越小越有利于提升异型三维点阵结构的隔热性能,故渐变胞元尺寸最大值不宜超过原胞元尺寸,温度越高处可使用小尺寸胞元,但胞元最小尺度需满足金属增材制造工艺约束要求。

步骤4中,在渐变尺寸的异型点阵结构隔热优化设计中,以胞元为单位的相对密度始终保持不变,优化前后的结构截面积变化规律基本相同;通过控制扭转角度的大小可以调整胞元尺寸的渐变程度,以此控制不同区域比表面积的大小,促进结构散热,提升异型三维点阵结构的隔热性能。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

本发明基于渐变胞元尺寸的异型三维点阵结构隔热性能优化设计方法中,由于异型三维点阵结构具备孔隙率高、开孔设计等特性,且兼具良好的隔热散热性能。通过渐变胞元尺寸的优化设计方法,在体积不变的情况下优化材料分布情况,在温度高的区域提高比表面积,增强结构的散热作用,提升异型三维点阵结构的隔热性能,可应用于航空、航天及其他领域的热防护结构。

附图说明

图1是常用异型三维点阵结构单胞模型。其中:图1(a)是diamond结构;图1(b)是gyroid结构;图1(c)是iw结构;图1(d)是tub-primitive结构。

图2是diamond异型三维点阵结构模型。其中:图2(a)是diamond异型三维点阵结构模型正轴测视图;图2(b)是diamond异型三维点阵结构模型正视图。

图3是渐变胞元尺寸优化设计方法示意图。

图4是基于渐变胞元尺寸优化设计的diamond异型三维点阵结构模型。其中:图4(a)是基于渐变胞元尺寸优化设计的diamond异型三维点阵结构模型正轴测视图;图4(b)是基于渐变胞元尺寸优化设计的diamond异型三维点阵结构模型正视图。

图5是不同胞元尺寸的diamond异型三维点阵结构底面温度趋势图。

图6是原始diamond异型三维点阵结构优化目标模型温度云图。

图7是基于渐变胞元尺寸优化设计的diamond异型三维点阵结构模型温度云图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

为了达到上述目的,得到最终优化处理结果,以下将结合附图,对本发明做进一步详尽说明。

步骤1,根据异型三维点阵结构的形貌变化特性,设计不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构单胞,再将其分别按周期性排列在同等大小的包围空间内,得到不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构,胞元尺寸越小则异型三维点阵结构的比表面积越大。

步骤1.1,以晶胞为基本微观单元的曲面点阵主要由tpms(三重周期最小曲面)衍生而来,这种曲面由隐式函数式控制、倾角处圆滑满足3d打印而广为使用。常用标准结构包括diamond结构、gyroid结构、iw结构、tub-primitive结构等,该类晶格结构使用几何建模算法直接生成三维曲面点阵,通过调整参数可以生成不同尺寸或相对密度的胞元,相比于传统的三维点阵多孔结构具有更为复杂的曲面形态,并且该类晶胞式的三维点阵结构自为一体,机械强度性能较好。晶胞单元多孔式分布的特点可以构建出天然的出粉孔,有利于增材制造过程中的粉末回收。

步骤1.2,调整参数生成不同尺寸的单胞,使用阵列、填充等方式将其分别按周期性排列组合在同等大小的包围空间内得到不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构。当胞元尺寸越小时,异型三维点阵结构在包围空间中的材料分布就会更均匀,因而比表面积越大。

步骤2,对设计好的异型三维点阵结构模型进行预处理后,导入有限元分析软件,进行网格剖分、边界条件加载及有限元仿真求解分析,得到不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构稳态温度云图。由于比表面积越大会促进异型三维点阵结构的散热作用,通过对比温度云图可知,胞元尺寸越小则异型三维点阵结构隔热效率越高。

步骤2.1,通过几何建模算法生成的异型三维点阵结构单胞是由三角面片拼接而成,只包含了表面形状信息,使用网格划分软件将其内部进行四面体网格划分以转换成实体结构。

步骤2.2,各异型三维点阵结构有一定相似性,本实例中选择diamond结构为代表进行仿真分析及优化验证的解释说明。将转换成实体结构的异型三维点阵结构导入有限元分析软件,划分网格,本实例中将耐热性能较好的钛合金(tc4)材料的热物性参数赋予给结构模型,施加边界条件,进行仿真求解分析,得到不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构稳态温度云图。

步骤2.3,通过对比温度云图可知,胞元尺寸越小则异型三维点阵结构隔热效率越高。这是由于不同胞元尺寸下的异型三维点阵结构截面积变化规律近似,热量沿着结构截面积传递的效率也相近,但是胞元尺寸越小时比表面积就会极大增加,有利促进了异型三维点阵结构的散热作用,所以使得隔热性能提升。

步骤3,分析要优化设计的某尺寸下异型三维点阵结构的稳态温度云图,根据步骤2中的结论,在温度高的区域拟使用较原尺寸小的异型三维点阵结构胞元,在温度低的区域拟使用较大尺寸的异型三维点阵结构胞元。

步骤3.1,分析待优化设计的某尺寸下异型三维点阵结构的稳态温度云图,温度分布情况为:靠近热源处温度最高且温度变化较快,远离热源处温度较低且温度变化慢。因此,可在靠近热源处使用较小尺寸的异型三维点阵结构胞元,沿温度降低方向逐渐增大胞元尺寸。

步骤3.2,胞元尺寸越小越有利于提升异型三维点阵结构的隔热性能,故渐变胞元尺寸最大值不宜超过原胞元尺寸,温度越高处可使用较小尺寸胞元,但胞元最小尺度需满足金属增材制造工艺约束要求。

步骤4,由于温度呈连续变化,所以将温度递减方向作为胞元尺寸递增方向。胞元尺寸逐渐变化则相邻层间的胞元数量不同,通过将异型三维点阵结构胞元骨架往整体结构某固定轴位置扭转一定角度,使得相邻层间数量不同的胞元可以顺利连接起来,在胞元尺寸渐进变化同时又保证了结构的连续性。

步骤4.1,在热传递过程中温度呈连续变化,将温度递减方向作为胞元尺寸递增方向且胞元尺寸随温度变化作连续渐进变化。在不变的包围空间中胞元尺寸逐渐变化则垂直于变密度方向每层的胞元数量不同,选择某一固定轴位置上的异型三维点阵结构胞元作为参考系,通过将其它异型三维点阵结构胞元骨架往参考系扭转一定角度,使得不同层间数量不同的胞元顺利光滑连接起来,保证结构的连续性。

步骤4.2,在渐变尺寸的异型点阵结构隔热优化设计中,以胞元为单位的相对密度始终保持不变,优化前后的结构截面积变化规律基本相同。通过控制扭转角度的大小可以调整胞元尺寸的渐变程度,以此来控制不同区域比表面积的大小,促进结构散热,更好的提升异型三维点阵结构的隔热性能。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,依据本发明的技术实质,对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等,均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

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