[發(fā)明專利]一種基于漸變胞元尺寸的異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱性能優(yōu)化設(shè)計方法

有效

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• 申請日: 2020-08-04
• 公開（公告）號: CN111967089B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 廖文和;吳加鏡;劉婷婷;張長東;江為民;任方喜;施昕
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/23;G06F119/08
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 蔣廈

本發(fā)明公開的一種基于漸變胞元尺寸的異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱性能優(yōu)化設(shè)計方法，旨在提供一種針對異型點陣結(jié)構(gòu)的通用型的隔熱優(yōu)化設(shè)計方法。通過對異型三維點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱仿真分析，得出不同胞元尺寸對異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響規(guī)律，再根據(jù)溫度分布對異型三維點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行漸變胞元尺寸優(yōu)化設(shè)計，能夠在保持點陣體積不變的情況下提高隔熱性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)熱控和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于漸變胞元尺寸的異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱性能優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

高超聲速飛行器在飛行過程中溫度可達(dá)1000攝氏度以上，高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力會對飛行器結(jié)構(gòu)造成破壞，內(nèi)部儀器設(shè)備由于高溫也容易發(fā)生安全隱患問題。因此，在飛行器表面敷設(shè)熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)以降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度成為設(shè)計中不可或缺的環(huán)節(jié)。金屬材料由于其固有的延展性及成型靈活性，非常適用于集成式熱防護(hù)系統(tǒng)，比如蜂窩芯板、波紋芯夾層板，以及近年來備受關(guān)注的三維點陣芯夾層結(jié)構(gòu)。隨著對飛行器的設(shè)計速度不斷增長的需求，迫切需要在具備極限輕量化的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化集成式熱防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而改善其隔熱和承載性能。

傳統(tǒng)的三維點陣夾芯結(jié)構(gòu)的胞元類型主要包括體心立方、面心立方、金字塔、Kagome等構(gòu)型有限的桿狀胞元，其胞元構(gòu)型設(shè)計嚴(yán)重受制于制造工藝，設(shè)計空間有限，且針對該類結(jié)構(gòu)的研究基本上聚焦于力學(xué)承載性能，對其隔熱特性的研究以及針對新型三維點陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究較為少見。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于漸變胞元尺寸的異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱性能優(yōu)化設(shè)計方法，通過對異型三維點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱仿真分析，得出不同胞元尺寸對異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響規(guī)律，再根據(jù)溫度分布對異型三維點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行漸變胞元尺寸優(yōu)化設(shè)計，能夠在保持點陣體積不變的情況下提高隔熱性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種基于漸變胞元尺寸的異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱性能優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)異型三維點陣結(jié)構(gòu)的形貌變化特性，設(shè)計不同胞元尺寸下的異型三維點陣結(jié)構(gòu)單胞，再將其分別按周期性排列在同等大小的包圍空間內(nèi)，得到不同胞元尺寸下的異型三維點陣結(jié)構(gòu)；

步驟2，對設(shè)計好的異型三維點陣結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行預(yù)處理后，導(dǎo)入有限元分析軟件，進(jìn)行網(wǎng)格剖分、邊界條件設(shè)置及有限元仿真求解分析，得到不同胞元尺寸下的異型三維點陣結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度云圖；由于比表面積越大會促進(jìn)異型三維點陣結(jié)構(gòu)的散熱作用，通過對比溫度云圖可知，胞元尺寸越小則異型三維點陣結(jié)構(gòu)隔熱效率越高；

步驟3，分析要優(yōu)化設(shè)計的某尺寸下異型三維點陣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度云圖，根據(jù)步驟2中的結(jié)論，在溫度高的區(qū)域擬使用較小尺寸的異型三維點陣結(jié)構(gòu)胞元，在溫度低的區(qū)域擬使用較大尺寸的異型三維點陣結(jié)構(gòu)胞元；

步驟4，因為溫度呈連續(xù)變化，所以將溫度遞減方向作為胞元尺寸遞增方向；胞元尺寸逐漸變化則垂直于變密度方向每層的胞元數(shù)量不同，通過將異型三維點陣結(jié)構(gòu)胞元骨架往整體結(jié)構(gòu)某固定軸位置扭轉(zhuǎn)一定角度，使得不同層間數(shù)量不同的胞元可以順利連接，在胞元尺寸漸進(jìn)變化同時保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。

步驟1中，設(shè)計以晶胞為基本微觀單元的曲面點陣，可采用Diamond結(jié)構(gòu)、Gyroid結(jié)構(gòu)、IW結(jié)構(gòu)或Tub-Primitive結(jié)構(gòu)，使用幾何建模算法直接生成三維曲面點陣，通過調(diào)整參數(shù)生成不同尺寸或相對密度的胞元。

步驟1中，調(diào)整參數(shù)生成不同尺寸的單胞，將其分別按周期性排列組合在同等大小的包圍空間內(nèi)，得到幾個不同胞元尺寸下的異型三維點陣結(jié)構(gòu)；當(dāng)胞元尺寸越小時，異型三維點陣結(jié)構(gòu)在包圍空間中的材料分布就會更均勻，因而比表面積越大。

步驟2中，通過幾何建模算法生成的異型三維點陣結(jié)構(gòu)單胞由三角面片拼接而成，包含表面形狀信息，使用網(wǎng)格劃分軟件將其內(nèi)部進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分以轉(zhuǎn)換成實體結(jié)構(gòu)。