本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于球單元的隔熱散熱設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具備輕質(zhì)、多功能和可設(shè)計等特點，具有高比強度、高比剛度、高強韌、高能量吸收等優(yōu)良機械性能，以及減震、散熱、吸聲、電磁屏蔽、滲透性等特殊性質(zhì)，從而具有廣泛的應(yīng)用前景。閉孔多孔結(jié)構(gòu)具有低的傳熱系數(shù)可用于隔熱，開孔多孔結(jié)構(gòu)具有流動通道可用于散熱，而可設(shè)計性便于對力學和散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。

拓撲優(yōu)化的導(dǎo)熱通道設(shè)計方法通過基于幾何平均溫度的散熱性能描述指標，以此為目標函數(shù)建立散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模型，并對目標函數(shù)進行敏度分析，得到用最優(yōu)導(dǎo)熱材料分布表征的導(dǎo)熱通道的概念設(shè)計，同時在保持結(jié)構(gòu)特征不變的前提下，通過對高導(dǎo)熱材料分布進行簡單的規(guī)則化和邊界光滑，得到便于工程使用的高導(dǎo)熱通道設(shè)計。

3D打印，也叫快速成形技術(shù)、增材制造技術(shù),原理是將三維的實體的數(shù)字模型(CAD文件)離散化成切片模型，再將切片模型轉(zhuǎn)化為打印頭的行走軌跡，通過打印頭將材料不斷添加到打印件上去，這樣材料就按照打印軌跡不斷的被添加，逐層打印起來，就形成了最終的實體打印件。與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”不同，3D打印遵從的是加法原則，可以直接將計算機中的設(shè)計轉(zhuǎn)化為模型，直接制造零件或產(chǎn)品，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床；同時直接將虛擬的數(shù)字化實體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，極大地簡化了生產(chǎn)的流程，降低了材料的生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)周期，使得生產(chǎn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件成為可能，也是實現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計的重要技術(shù)手段。

3D打印耗材包括：塑料、橡膠、金屬、粉末、尼龍、薄膜、樹脂、石蠟、石膏、尼龍絲、鈦合金、陶瓷等不同材料。3D打印技術(shù)將使得商品的生產(chǎn)制造進入全新的階段，生產(chǎn)的組織方式也會更加扁平化，而它潛在的對生產(chǎn)的巨大解放，能夠極大提高我們社會生產(chǎn)效率。

球具有優(yōu)良的力學性能，數(shù)學表達精簡，其結(jié)構(gòu)的特殊性，可以將應(yīng)力集中處的極高應(yīng)力通過球與球間的接觸分散。

背景技術(shù)的缺陷：現(xiàn)行部件沒有良好的隔熱或散熱性能，或部分多孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品因受外界應(yīng)力需求而無法構(gòu)建最優(yōu)導(dǎo)熱通道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于球單元的隔熱散熱設(shè)計方法，通過利用拓撲優(yōu)化的方法設(shè)計最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，并通過在產(chǎn)品指定的位置填充球單元或球單元的拓撲結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)造出最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，設(shè)計出隔熱或散熱性能優(yōu)良、同時質(zhì)量輕強度大的產(chǎn)品的過程。

作為本發(fā)明的進一步改進，包括如下步驟：

(1)定義設(shè)計域、載荷和邊界條件；

(2)對導(dǎo)熱區(qū)域劃分有限元網(wǎng)格，同時初始化各變量；

(3)利用基于SIMP材料模型的拓撲優(yōu)化方法，對產(chǎn)品各單元進行有限元分析，求解溫度場，同時設(shè)計出最優(yōu)的導(dǎo)熱通道；

(4)在產(chǎn)品的指定的位置填充球單元或球單元的拓撲結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)造出最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，使產(chǎn)品具有良好的散熱性能；

(5)對設(shè)計好內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在設(shè)計要求的工況下進行有限元分析，得出部件的應(yīng)力分布與力學性能相關(guān)的參數(shù)；

(6)對步驟(5)獲得的力學參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析、歸納整理，得到系統(tǒng)性、綜合性的力學問題和優(yōu)化導(dǎo)向，通過改變球單元的材料、結(jié)構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品所需的強度要求；

(7)對步驟(6)中設(shè)計出的結(jié)構(gòu)，進行計算機仿真分析和相關(guān)測試驗證部件是否滿足設(shè)計需求。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述球單元或球單元的拓撲結(jié)構(gòu)包括實心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓撲結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進一步改進，在所述步驟(7)中，包括如下步驟：

(71)通過常規(guī)實驗測試3D打印出的產(chǎn)品的基本物理機械性能；

(72)按照部件在實際工作中的工況搭建微縮的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗平臺上對產(chǎn)品進行加載試驗，采用電阻應(yīng)變片法測試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(73)將步驟(71)中測量的部件的基本物理機械性能以及基本物理機械性能種類與步驟(72)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進行產(chǎn)品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟(72)中實測結(jié)果進行對照，符合度大于90％則進行下一步，否則返回到(73)調(diào)整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求；

(74)將步驟(73)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和(71)中的材料基本物理機械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進行產(chǎn)品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產(chǎn)品的強度，即可推演出相應(yīng)產(chǎn)品在實際工況下不會變形過大而失效，能夠承受得住相應(yīng)的載荷。

作為本發(fā)明的進一步改進，在所述步驟(71)中，基本物理機械性能包括：抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟(71)、(72)、(73)、(74)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點和力的分布情況。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的設(shè)計技術(shù)應(yīng)對了現(xiàn)有材料制造的產(chǎn)品難以滿足設(shè)計要求的現(xiàn)狀，能制造出重量輕、強度大、隔熱或散熱能力好的產(chǎn)品。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法框圖。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種基于球單元的隔熱散熱設(shè)計方法，通過利用拓撲優(yōu)化的方法設(shè)計最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，并通過在產(chǎn)品指定的位置填充球單元或球單元的拓撲結(jié)構(gòu)，如合理半徑大小的實心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓撲結(jié)構(gòu)等球單元，從而構(gòu)造出最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，設(shè)計出隔熱或散熱性能優(yōu)良、同時質(zhì)量輕強度大的產(chǎn)品的過程。

本發(fā)明具體包括如下步驟：

(1)定義設(shè)計域、載荷和邊界條件；

(2)對導(dǎo)熱區(qū)域劃分有限元網(wǎng)格，同時初始化各變量；

(3)利用基于SIMP材料模型的拓撲優(yōu)化方法，對產(chǎn)品各單元進行有限元分析，求解溫度場，同時設(shè)計出最優(yōu)的導(dǎo)熱通道；

(4)在產(chǎn)品的指定的位置填充球單元或球單元的拓撲結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)造出最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，使產(chǎn)品具有良好的散熱性能；當適當?shù)馗淖兌嗫捉Y(jié)構(gòu)的孔徑大小時，可以提升產(chǎn)品的隔熱性能；在保持結(jié)構(gòu)特征不變的前提下，通過對高導(dǎo)熱材料分布進行簡單的規(guī)則化和邊界光滑，得到便于工程使用的高導(dǎo)熱通道設(shè)計；

(5)對設(shè)計好內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在設(shè)計要求的工況下進行有限元分析，得出部件的應(yīng)力分布與力學性能相關(guān)的參數(shù)；

(6)對步驟(5)獲得的力學參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析、歸納整理，得到系統(tǒng)性、綜合性的力學問題和優(yōu)化導(dǎo)向，通過改變球單元的材料、結(jié)構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品所需的強度要求；

(7)對步驟(6)中設(shè)計出的結(jié)構(gòu)，進行計算機仿真分析和相關(guān)測試驗證部件是否滿足設(shè)計需求。

所述球單元或球單元的拓撲結(jié)構(gòu)包括實心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓撲結(jié)構(gòu)。

在所述步驟(7)中，包括如下步驟：

(71)通過常規(guī)實驗測試3D打印出的產(chǎn)品的基本物理機械性能；

(72)按照部件在實際工作中的工況搭建微縮的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗平臺上對產(chǎn)品進行加載試驗，采用電阻應(yīng)變片法測試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(73)將步驟(71)中測量的部件的基本物理機械性能以及基本物理機械性能種類與步驟(72)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進行產(chǎn)品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟(72)中實測結(jié)果進行對照，符合度大于90％則進行下一步，否則返回到(73)調(diào)整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求；

(74)將步驟(73)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和(71)中的材料基本物理機械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進行產(chǎn)品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產(chǎn)品的強度，即可推演出相應(yīng)產(chǎn)品在實際工況下不會變形過大而失效，能夠承受得住相應(yīng)的載荷。

在所述步驟(71)中，基本物理機械性能包括：抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。

步驟(71)、(72)、(73)、(74)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點和力的分布情況。

對設(shè)計出的部件進行步驟(71)-步驟(74)的測試實驗，不斷優(yōu)化部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，如將空心球改為實心球等方法改變球單元的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，從而達到最優(yōu)化的設(shè)計。

將改進的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計建立相應(yīng)的球心的三維位置、球心半徑的結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)算法，利用3D打印技術(shù)進行量化生產(chǎn)。

本發(fā)明填充的球單元包括但不限于球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓撲結(jié)構(gòu)等多種幾何體。

亞表面是指在幾何外形固定產(chǎn)品的內(nèi)部空間，通過改變產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化產(chǎn)品的力學性能和物理特性，包括但不限于應(yīng)力分布、比剛度、比強度和傳熱特性等。

使用的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是基于上述定義的球單元的結(jié)構(gòu)。

球單元的設(shè)計自由度包括單元種類和分布特征，單元種類包括但不限于實體球、表面打孔的球殼等，分布特征包括但不限于球單元三維坐標數(shù)學參數(shù)等。

本發(fā)明利用拓撲優(yōu)化的方法，設(shè)計出最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，并通過填充球單元及其拓撲結(jié)構(gòu)的方法來構(gòu)造導(dǎo)熱通道，從而優(yōu)化產(chǎn)品的隔熱或散熱性能。

本發(fā)明具體涉及一種基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，用于設(shè)計出具有優(yōu)良的散熱或隔熱性能同時具備優(yōu)良力學性能的產(chǎn)品。本方法需要結(jié)合部件設(shè)計需求，利用拓撲優(yōu)化的方法選擇合適的位置設(shè)計球單元多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而設(shè)計出具有優(yōu)良力學性能和隔熱或散熱性能的產(chǎn)品。

本發(fā)明基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來優(yōu)化產(chǎn)品的隔熱或散熱性能的設(shè)計方法，本方法通過利用拓撲優(yōu)化方法設(shè)計出最優(yōu)的傳熱通道來提升產(chǎn)品的散熱性能，或通過合理地改變多孔結(jié)構(gòu)的孔徑大小來提升產(chǎn)品的隔熱性能，之后通過設(shè)計合適的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提升部件的結(jié)構(gòu)強度、抗壓抗磨損性能等力學性能和增加傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所沒有的超阻尼等物理特性，實現(xiàn)在不改變結(jié)構(gòu)外形條件下能根據(jù)結(jié)構(gòu)使用要求改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布、載荷路徑、阻尼分布、失效分布、模態(tài)分布、傳熱分布、壽命分布等機械性能，構(gòu)建出具有優(yōu)良隔熱或散熱性能、滿足產(chǎn)品外部應(yīng)力需求的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具體在于利用球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓撲結(jié)構(gòu)等多種球單元幾何體的合理組合，通過改變球單元的種類、分布規(guī)律等參數(shù)，設(shè)計出以球單元為基礎(chǔ)的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達到提升產(chǎn)品的隔熱或散熱性能、力學性能和物理特性的目的。本發(fā)明的設(shè)計技術(shù)應(yīng)對了現(xiàn)有材料制造的產(chǎn)品難以滿足設(shè)計要求的現(xiàn)狀，能制造出重量輕、強度大、隔熱或散熱能力好的產(chǎn)品。

本發(fā)明具體的技術(shù)優(yōu)勢如下：

通過拓撲優(yōu)化方法構(gòu)造出的最優(yōu)的導(dǎo)熱通道，通過在產(chǎn)品內(nèi)通過填充球單元及其拓撲結(jié)構(gòu)來構(gòu)造導(dǎo)熱通道，在滿足最優(yōu)導(dǎo)熱性能的前提下通過改變球單元的結(jié)構(gòu)屬性可以滿足產(chǎn)品的外部應(yīng)力需求，在應(yīng)力集中的地方增大內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強度，例如使用實心球體、實心半球等，在應(yīng)力分散的地方減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強度，例如使用空心球殼等。同時多孔結(jié)構(gòu)通過以極低的體積密度和內(nèi)部大量的納米孔洞對傳導(dǎo)、對流和輻射這3種基本的傳熱方式形成有效的抑制。極低的密度，能大幅度降低固態(tài)熱導(dǎo)率；在維持多孔結(jié)構(gòu)的同時，使孔洞的尺寸盡可能小，當直徑小于常溫下空氣的平均自由程70nm時，氣體分子的熱運動受到限制，因而可忽略氣體對流熱傳導(dǎo)。通過設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)可以增強產(chǎn)品的隔熱性能。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。