相变温控导热增强的多孔金属梯度优化设计

高孔隙率金属多孔材料比表面积大、导热性能好且掺混能力强,是理想的相变换热导热增强体材料。增材制造能够精准制备几何高度复杂的微结构,为多孔金属任意梯度设计提供可能。为实现更高的相变换热性能,建立了多孔金属相变温控导热增强的梯度优化设计模型。该优化模型以孔隙率分布为设计变量,以多孔金属用量为约束,以关键位置的温度最低为设计目标,基于考虑相变过程的多孔介质两方程模型为分析方法,通过遗传算法对优化模型进行求解。通过与实验结果的对比,验证了分析方法的有效性。两个具体算例证实了梯度设计能够大幅度提高多孔金属介质导热增强的相变温控性能。     

圆柱夹层多孔材料的主动散热性能研究与优化设计

通过推导不同边界条件的圆柱状夹层多孔材料散热指标,研究了一种特殊结构的圆柱状夹层多孔材料主动散热问题。这种圆柱夹层材料的每一层胞体个数相同,胞体尺寸随着外径的增大而增大,从而保持每一层胞体的相对密度相同。通过计算两种不同换热边界条件下圆柱夹层多孔材料的散热性能,比较并分析了与夹层材料层数相对应的最大散热效率和最优相对密度等指标,并最终得到这些工况下的最优质量。通过分析得到,无论哪种边界条件,正六边形胞体的夹层结构散热性能优于其他构型。同时当为达到某一限定散热效率值时,正六边形胞体结构的质量最小,正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。     

剪切可变形多孔梯度梁屈曲的解析解

多孔梯度梁具有优异的力学性能,受到研究者的广泛关注．然而,同时考虑轴线可伸长和剪切可变形效应的多孔梁屈曲问题尚未得到充分重视．基于屈曲控制方程和泰勒级数展开方法,推导出四种典型边界约束条件下多孔梁屈曲临界载荷的解析表达式．然后,定义轴线可伸长和剪切可变形作用的影响系数,并分别考虑影响系数,孔隙率和孔隙分布对屈曲临界载荷的影响．结果表明,影响系数会降低梁的屈曲临界载荷;孔隙率越大,临界屈曲载荷越小．此外,合理设计孔隙分布有助于提高多孔梁的稳定性．     

梯度多孔金属材料梁的屈曲和屈曲基础上的振动

为研究梯度多孔金属材料梁的屈曲以及屈曲附近的振动特性,首先建立了随从分布压力下梯度多孔材料梁的动力学控制方程,得到了描述后屈曲的静态控制微分方程和描述屈曲前后振动响应的控制方程。通过打靶法数值求解两组强非线性方程,获得了简支-固支梯度多孔梁的屈曲临界载荷以及屈曲前后振动频率与载荷之间的关系曲线。分析了孔隙率系数和孔隙分布方式对屈曲临界载荷和屈曲前后振动频率的影响。结果表明,随着孔隙率系数e₀的增加,发生屈曲时的临界载荷减小;各阶固有频率也减小。屈曲前,各阶振动频率随载荷增大而减小,屈曲后,除三阶频率外,一阶和二阶频率随载荷增大而增大。     

多孔金属夹层圆柱壳的热机响应分析、优化设计及应用研究

0引言脉冲爆震发动机(Pause Detonation Engine,PDE)是21世纪最有前途的革命性航空航天动力之一,是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机[1].PDE的工作环境很特殊[2]:高温(2000-3000K)、高压(20-30 atm)、间歇性高速移动(1500-3000m/s)的热机冲击,为保证爆震燃烧室(爆震管)在如此恶劣的环境下稳定、可靠的运行,其强度设计、减振降噪和寿命技术等都是关键课题.     

热载荷作用下梯度多孔材料梁弯曲及过屈曲力学行为的研究

基于Bernoulli-Euler梁理论,引入物理中面解耦了复合材料结构的面内变形与横向弯曲特性,研究了梯度多孔材料矩形截面梁在热载荷作用下的弯曲及过屈曲力学行为．假设沿梁厚度方向材料的性质是连续变化的,利用能量法推导了矩形截面梁的控制微分方程和边界条件,并用打靶法对无量纲化的控制方程进行数值求解．利用计算得到的结果分析了材料的性质、热载荷、边界条件对矩形截面梁非线性力学行为的影响．结果表明,对称材料模型下,固支梁与简支梁均显示出了典型的分支屈曲行为特征,而其临界屈曲热载荷值均会随着孔隙率系数的增加而单调增加．非对称材料模型下,固支梁仍显示出分支屈曲行为特征,但其临界屈曲热载荷不再随着孔隙率系数的变化而单调变化;而对于两端简支梁,发生了弯曲变形,弯曲挠度随载荷的增大而增大．     

低相变阈值金属高压加载下的相变层裂特性

采用激光速度干涉仪（VISAR）和X光联合测试技术,在冲击压力远高于相变应力加载下,实验研究低相变阈值金属FeMnNi合金的相变层裂特性,结果发现等厚对称碰撞加载下FeMnNi合金出现反常的层裂行为。针对该反常的层裂行为,利用塑性波、相变波、稀疏波和逆相变引发的稀疏冲击波的相互作用过程进行分析,结果表明,该实验状态下FeMnNi合金样品存在相变和逆相变行为,逆相变引发的稀疏冲击波是导致反常层裂行为的主要因素。     

考虑相变的近场动力学热?力耦合模型及多孔介质冻结破坏模拟

多孔介质的传热传质现象广泛存在于自然界和工业领域中. 低温条件可能导致多孔介质中的组分发生相变, 并由此诱发材料损伤, 甚至导致结构失效破坏. 对这类破坏现象的预测需要精细化建模, 以能够反映物质的相变过程和材料的破坏特征. 本文采用热焓法改写经典的热传导方程, 在近场动力学框架下, 建立了一种考虑物质相变的热?力耦合模型, 发展了交错显式求解的数值计算方法, 进行了方板角冻结、热致变形和多孔介质冻结破坏等问题的模拟, 得到了方板的冻结特征、温度场和变形场的分布规律以及多孔介质的冻结破坏过程, 与试验和其他数值方法的结果具有较好的一致性. 研究表明, 本文所建立的考虑物质相变的近场动力学热?力耦合模型能够反映材料的非局部效应和物质相变潜热的影响, 准确捕捉相变过程中液固界面的演化特征, 再现多孔介质中材料相变、基质热致变形和冻结破坏过程, 突破了传统连续性模型求解这类破坏问题时面临的瓶颈, 为深入研究多孔介质冻融破坏过程和破坏机理提供了有效途径.      

基于计算均匀化方法的梯度多孔结构优化设计

多孔结构凭借轻量化、高比强度等优越性能,在现代工业领域受到越来越多的关注。增材制造技术的快速发展,使得具有复杂构型的多孔结构的制备成为可能,进一步促进了多孔结构设计方法的进步。多孔结构设计方法主要有尺度分离和尺度关联两种途径,本研究从尺度分离的思想出发,基于计算均匀化方法,针对随机(两种维诺型)和非随机(方框型)梯度多孔结构,发展了多尺度优化设计方法。该方法主要包括3个步骤：微观尺度微结构建模分析(涵盖微结构几何生成、等效物理量的计算、几何参数与各物理量之间映射关系的建立)、宏观尺度结构优化和全尺度多孔结构几何重构。该方法具有较高的计算效率,同时保证了相邻微结构之间的完美连接。利用贴体三角形网格划分,建立多孔结构全尺度有限元模型,以方框型梯度多孔结构和两种维诺型梯度多孔结构为例,开展了多孔结构尺寸效应分析及三点弯曲梁数值试验,验证了本研究方法的有效性和梯度多孔结构的优越性,研究表明多孔结构相对于单尺度结构具有较好的承载能力和延展性。     

高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法

随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.      

Neural network optimization of material composition of a functionally graded material plate at arbitrary temperature range and temperature rise

Summary A neural network model is applied to optimization problems of material compositions for a functionally graded material plate with arbitrarily distributed and continuously varied material properties in the thickness direction. Unsteady temperature distribution is evaluated by taking into account the bounds of the number of the layers. Thermal stress components for an infinite functionally graded material plate are formulated under traction-free mechanical conditions. As a numerical example, a plate composed of zirconium oxide and titanium alloy is considered. In the optimization problem of minimizing the thermal stress distribution, the numerical calculations are carried out making use of the neural network. The optimum material composition is determined by taking into account the effect of temperature-dependence of material properties. The results obtained by neural network and ordinary nonlinear programming method are compared. Received 3 March 1998; accepted for publication 22 May 1998     

Experimental investigation of high temperature thermal contact resistance with interface material

Thermal contact resistance plays a very important role in heat transfer efficiency and thermomechanical coupling response between two materials, and a common method to reduce the thermal contact resistance is to fill a soft interface material between these two materials. A testing system of high temperature thermal contact resistance based on INSTRON 8874 is established in the present paper, which can achieve 600°C at the interface. Based on this system, the thermal contact resistance between superalloy GH600 material and three-dimensional braid C/C composite material is experimentally investigated, under different interface pressures, interface roughnesses and temperatures, respectively. At the same time, the mechanism of reducing the thermal contact resistance with carbon fiber sheet as interface material is experimentally investigated. Results show that the present testing system is feasible in the experimental research of high temperature thermal contact resistance.     

Lattice Boltzmann investigation for enhancing the thermal conductivity of ice using Al2O3 porous matrix

An enthalpy-based Lattice Boltzmann method (LBM) with double-distribution function (DDF) model is used to investigate numerically the effects of inserting a porous matrix on the heat transfer performance of the phase change material (PCM). Simulations are carried out for melting of ice in saturated Al₂O₃ porous matrix encapsulated in a concentric annulus. The process is considered as a conduction/convection controlled phase change problem at a representative elementary volume (REV) scale. The present results are validated by previous published numerical simulations of melting with and without porous media. In this research paper, the effects of decreasing the porosity on the temperature contours, flow patterns within the melt zone, complete melting time of the PCM and average Nusselt number are discussed qualitatively and quantitatively.     

基于CAD平台的周期性材料单胞的参数化形状优化设计方法

对于具有特定材料属性的周期性复合材料设计,提出了一种参数化的形状优化方法。对于带有周期性结构的两相材料,给定细观单胞结构的基本构型,通过参数化的实体造型技术,结合均匀化方法,实现了通用的材料单胞形状参数化设计方法,以获取指定材料性能。在参数化结构形状优化设计CAD/CAE集成平台POSHAPE上完成程序实现。文中算例给出了两相蜂窝型骨架复合材料和空心复合材料周期性单胞的零泊松比和指定参数性质的形状优化设计过程,并验证了本文方法的有效性。     

考虑瞬态效应的承载隔热多功能结构拓扑优化

同时满足承载和隔热要求的多功能结构在高超飞行器热防护结构设计中倍受关注.实际隔热材料通常承载能力弱,而高承载材料隔热性能差,如何在有限空间内协同结构的承载与隔热成为关键问题.高超飞行器气动加热时间有限,存在加热时间短、热荷载变化大的特点.因此结构设计需要考虑时间因素和瞬态效应,而现有稳态传热与承载的多功能协同优化设计模...     

Structural optimization and experimental analysis of composite material panels for naval use

The purpose of the work is the realization of a composite material with long glass fibers having better characteristic than a fiber random composite, to permit the reduction of weight and costs to shipyards for pleasure craft. Structural optimization is performed by ANSYS for the choice of the layers disposition to obtain the maximum stiffness with minimum material employment, saving weight. The study is centered on the research of the better configurations of plies packing in relation of pure shear stress for four different plies. Unidirectional plies, both symmetric orthotropic and symmetric non-orthotropic ones, are realized successively by the vacuum bag technique. Experimental tests of traction, bending, inter laminar shear and pure shear are executed to characterize the three different type of material. Experimental results are compared to ones obtained numerically to validate the procedures; the comparison with the analytical results permitted to attribute an adequate value to shape factor of the fibers. In all the cases the optimization permitted the construction of much more resistant plies than random ones, with a lower thickness.     

基于均匀材料微结构模型的热弹性结构与材料并发优化

研究由宏观上均匀多孔材料制成的结构的优化设计问题,待设计的结构受到给定的外力与温度载荷作用,优化设计旨在给定结构允许使用的材料体积约束下,设计宏观结构的拓扑及多孔材料的徼结构,使得结构柔度最小.本文提出了一种宏观结构与微观单胞构型并发优化设计的方法.在此方法中,引入宏观密度和微观密度两类设计变量,在微观层次上采用带惩罚的实心各向同性材料法SIMP(Solid Isotropic Material with Penalty),在宏观层次上采用带惩罚的多孔各向异性材料法PAMP(Porous Anisotropic Material with Pemlty),借助均匀化方法建立两个层次阃的联系,通过优化方法自动确定实体材料在结构与材料两个层次上的分配,得到优化设计;提供的数值算例检验了本文所提方法及计算模型,并讨论了温度变化、材料体积及计算参数对优化结果的影响.研究结果表明同时考虑热和机械载荷时,采用多孔材料可以降低结构柔顺性.     

基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化设计方法

薄壁结构是汽车等运载工具的重要防护装置,除了其轴向防撞能力外,侧向耐撞性能分析与提升方式也非常重要。研究基于薄壁结构厚度合理分布的侧向耐撞性能提升方式和建立基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化方法。以汽车B柱受力环境和性能要求为设计需求,首先利用所建立的方法给出了连续变厚度的薄壁梁厚度分布设计,其性能较常规的等厚度薄壁梁最大侵入位移大幅下降(下降82%),验证了变厚度设计的有效性;然后,考虑单向变厚度便于柔性轧制工艺制成TRB,给出了轴向连续变厚度薄壁梁的厚度分布设计,该设计较等厚度梁最大侵入位移下降73%;与连续变厚度梁相比,在侵入位移降低量略小的情况下,实现了可制造性。设计实例表明本文提出的连续变厚度设计能够有效提高侧向耐撞性能,所建立的方法能够获得合理的厚度分布设计,是有效的耐撞性优化设计方法。     

基于CA的结构拓扑优化中变量更新规则研究

针对连续体结构拓扑优化中数值不稳定问题,借鉴控制系统中反馈控制和误差放大器的原理,构建了一种无梯度约束的变量更新规则,以结构应变能密度均匀分布为优化目标,建立了基于元胞自动机的拓扑优化模型,进行了二维连续体结构的拓扑优化设计,得到材料在设计域内的最优分布。通过求解三个经典的算例,探讨了不同的误差放大系数对优化结果的影响,试验结果表明,该更新规则能够有效地抑制棋盘格和网格依赖性问题。     

航空重力测量比力温控系统热优化设计

以国内首台具有完全自主知识产权的捷联式航空重力仪的比力温控系统为基础,针对该温控系统测试过程中暴露的一些温度梯度较大等问题,为进一步提高比力测量精度,结合相关的热设计标准和规范,提出了航空重力测量比力温控系统热优化设计方案,并进行建模与仿真实验分析.分析表明,该热优化设计方案能有效减小比力温控系统温度梯度,将温控系统内部最大温度差由0.79℃降低到0.37℃,可以提供更稳定的温度场并有效确保加速度计的精确标定并进一步提高重力测量精度.