[發(fā)明專利]基于增材制造的相變儲能裝置點陣夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710908775.2
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107742014B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張嘯雨;郭霖;周浩;苗建印;向艷超;鄧宇華;成志忠;陳燕
• 申請（專利權(quán)）人: 北京空間飛行器總體設(shè)計部
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;仇蕾安

1.一種基于增材制造的相變儲能裝置點陣夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于：所述點陣夾層結(jié)構(gòu)是采用增材制造工藝制備得到的一體化結(jié)構(gòu)，外部為殼體(5)，內(nèi)部為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；所述殼體(5)為一個長方體結(jié)構(gòu)，殼體(5)上加工有工藝孔和充裝孔；所述三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由稀疏點陣胞元(1)和致密點陣胞元(2)兩種重復(fù)單元在空間平移排列形成的；其中，稀疏點陣胞元(1)和致密點陣胞元(2)均是由圓柱形桿件構(gòu)成的對四棱錐結(jié)構(gòu)；

所述設(shè)計方法步驟如下，

(1)增材制造工藝約束分析

對于百毫米尺寸的相變儲能裝置，選用激光選區(qū)熔化成型技術(shù)進行制造；根據(jù)激光選區(qū)熔化成型技術(shù)的工藝約束，確定圓柱形桿件的最小直徑Φ_Min、殼體(5)的最小壁厚t_Min以及致密點陣胞元(2)的最大尺寸Max；

其中，Φ_Min≥0.3mm，t_Min≥0.3mm，且殼體(5)的壁厚不小于圓柱形桿件的直徑，致密點陣胞元(2)的最大尺寸Max為4mm；

(2)整體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

外部為厚度均勻的殼體(5)，其寬度、高度、厚度分別記為W、H、T，根據(jù)具體相變儲能裝置的尺寸要求，確定W、H、T的值；殼體(5)內(nèi)部采用稀疏點陣胞元(1)和致密點陣胞元(2)配合形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滿足外部密封、內(nèi)部連通以及輕量化的要求；

(3)稀疏點陣胞元及其空間分布設(shè)計

稀疏點陣胞元(1)在殼體(5)內(nèi)部空間平移排列形成稀疏點陣陣列(3)，而由稀疏點陣胞元(1)填充形成的稀疏點陣陣列區(qū)域的寬度、高度、厚度分別為W₁＝W-Φ，H₁＝H-Φ，T₁＝T-Φ；其中，Φ為圓柱形桿件的直徑；

(4)致密點陣胞元及其空間分布設(shè)計

致密點陣胞元(2)在三個正交方向的設(shè)計尺寸為d₁＝D₁/2，d₂＝D₂/2，d₃＝D₃/2；其中，D₁、D₂和D₃為稀疏點陣胞元(1)在三個正交方向相應(yīng)的設(shè)計尺寸；

致密點陣胞元(2)在殼體(5)內(nèi)部空間平移排列形成致密點陣陣列(4)，而由致密點陣胞元(2)填充形成的致密點陣陣列區(qū)域的寬度、高度、厚度分別為W₂＝W-Φ，H₂＝(n+0.25)×D₁，T₂＝T-Φ，n為正整數(shù)；

(5)建立宏觀實體模型

根據(jù)步驟(1)～(4)對尺寸的設(shè)計要求，分別對稀疏點陣陣列區(qū)域、致密點陣陣列區(qū)域以及殼體(5)進行三維幾何建模，殼體(5)上的工藝孔和充裝孔要同時建立；

(6)建立微觀點陣模型

根據(jù)步驟(3)和(4)對稀疏點陣胞元(1)以及致密點陣胞元(2)尺寸的設(shè)計要求，用稀疏點陣胞元(1)填充稀疏點陣陣列區(qū)域宏觀模型的內(nèi)部空間，用致密點陣胞元(2)填充致密點陣陣列區(qū)域宏觀模型的內(nèi)部空間，對所建立的微觀稀疏點陣模型和微觀致密點陣模型分別賦予圓柱形桿件直徑屬性，Φ_Min≤Φ≤3Φ_Min，同時刪除稀疏點陣陣列區(qū)域宏觀模型和致密點陣陣列區(qū)域宏觀模型；

(7)建立宏微觀一體化模型

將步驟(6)所建立的微觀稀疏點陣模型和微觀致密點陣模型，以及步驟(5)所建立的宏觀殼體結(jié)構(gòu)模型，進行裝配，使得稀疏點陣陣列區(qū)域的幾何中心與殼體(5)的幾何中心重疊，形成宏微觀一體化模型；

(8)力學(xué)強度分析驗證

對步驟(7)建立的宏微觀一體化模型進行有限元力學(xué)計算，分析在設(shè)計載荷條件下結(jié)構(gòu)強度是否滿足安全裕度要求，若是則進行步驟(9)；若不是，則改變殼體(5)的壁厚、圓柱形桿件的直徑或者致密點陣胞元(2)的填充區(qū)域，并重復(fù)步驟(3)～(7)；

(9)設(shè)計結(jié)果輸出及制造

將滿足力學(xué)強度要求的宏微觀一體化模型進行輸出，并利用激光選區(qū)熔化技術(shù)進行增材制造，得到相變儲能裝置點陣夾層結(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于增材制造的相變儲能裝置點陣夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于：圓柱形桿件的直徑0.3mm≤Φ≤1mm，殼體(5)的壁厚0.3mm≤t≤1mm，且Φ≤t。