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蜂窝结构多功能优化设计

王博  
【摘要】: 蜂窝材料是一种重要的超轻多功能材料,具有传统材料不具有很多优点,受到学术界和工业部门的广泛重视。本论文基于理论分析、数值模拟及优化设计和实验验证三种方法,对蜂窝结构的散热性能、承载性能和能量吸收性能开展了多功能优化设计,对制备方法也进行了初步探讨。 本论文的主要研究成果如下: 1.给出了复杂构型蜂窝夹层结构的散热性能分析方法。对Kagome等组合蜂窝,解析推导了等效Nusselt数、fRe因子(f为范宁系数,Re为雷诺数)等,并在此基础上,采用连续介质模型,研究了“组合蜂窝”填充的夹层蜂窝结构和圆柱形蜂窝结构的散热性能和散热—承载综合性能;根据对工程界普遍接受的散热性能和散热—承载性能两个指标的分析,论证了Kagome蜂窝明显优于传统蜂窝,尤其是散热—承载综合性能,Kagome蜂窝高出传统蜂窝数倍。基于数学推导说明了工程中采用的指标优化方法与结构优化界的多目标优化模型两者之间的关系,并指出了指标优化方法的不足之处。(具体内容见第二章) 2.给出了正交各向异性蜂窝填充的夹层结构和正方形截面柱状结构的散热性能和散热—承载性能优化设计,具体考虑了矩形和等腰三角形两种正交各向异性蜂窝。在采用散热—承载性能工程指标优化的基础上,构造了两种双层规划模型,给出了多目标优化设计的有效解集,和优化特定的单一指标相比,为设计人员提供更多的选择,对正交各向异性蜂窝填充结构的多功能优化设计非常有效。(具体内容见第三章) 3.研究了允许蜂窝非均匀分布时的优化设计,实现了蜂窝结构的“材料—结构一体化设计”(蜂窝非均匀分布设计)。论文选取蜂窝局部相对密度和特征尺寸两类设计变量,基于结构拓扑优化技术,建立并对典型问题求解了最优散热性能模型。发现优化蜂窝材料分布的特点是:在温度梯度较高区域,蜂窝相对密度高且孔径小;与均匀分布的蜂窝填充设计比较,优化设计使截面上的温度分布更加均匀,降低了温度梯度的差异,从而使更多的蜂窝与流体进行热量交换,其最优散热性能指标值比蜂窝均匀分布的最优设计有较大幅度的提高。另外,论文给出了全密度蜂窝填充结构的最优散热性能设计和散热—承载综合性能设计。基于构造的散热—承载综合性能评价函数,给出了满足不同设计意图的多目标优化有效解及近似的有效解集(Pareto集)。(具体内容见第四章) 4.针对多种不同构型的蜂窝,开展了考虑三维温度变化的蜂窝填充结构多功能拓扑优化设计。根据实际问题对压降的不同要求,建立了最优散热性能和最大热交换量两个优化模型。应用这两个模型,论文对实际尺寸的蜂窝型CPU散热器和化工反应中的催化剂载体进行了拓扑优化设计。对得到的新颖设计构型的分析表明:随着初始流速的提高,论文给出的蜂窝非均匀分布优化设计方法所取得的性能收益越大。对于强放热反应催化剂载体的拓扑优化结果显示,最优非均匀分布设计可以有效提高载体的移热效率和截面直径,从而提高反应器的安全性和经济效益。(具体内容见第五章) 5.采用“平板开缝—装配—焊接”工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构并开展了实验研究和数值模拟。对Kagome、正三角形、菱形和正六边形蜂窝结构开展了面内压缩和冲击力学行为的实验研究,应用图像相关法进行全场位移测量。实验结果和数值模拟吻合较好,揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它三种蜂窝结构。论文还对其机理进行了讨论。(具体内容见第六章) 本论文工作得到大连理工大学优秀博士研究生学位论文资助基金(2005.4~2007.4)、国家自然科学基金重点基金项目“超轻质结构设计新理论”(编号:10332010)、国家创新研究团队计划(编号:10421202)和国家重点基础研究发展计划“超轻多孔材料与结构创新构型设计优化新理论”(编号2006CB601205)的资助,在此一并表示感谢。


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