蜂窩結構多功能優(yōu)化設計.pdf

1、蜂窩材料是一種重要的超輕多功能材料，具有傳統(tǒng)材料不具有很多優(yōu)點，受到學術界和工業(yè)部門的廣泛重視。本論文基于理論分析、數(shù)值模擬及優(yōu)化設計和實驗驗證三種方法，對蜂窩結構的散熱性能、承載性能和能量吸收性能開展了多功能優(yōu)化設計，對制備方法也進行了初步探討。 本論文的主要研究成果如下： 1．給出了復雜構型蜂窩夾層結構的散熱性能分析方法。對Kagome等組合蜂窩，解析推導了等效Nusselt數(shù)、/Re 因子(f為范寧系數(shù)，Re為雷諾

2、數(shù))等，并在此基礎上，采用連續(xù)介質模型，研究了“組合蜂窩”填充的夾層蜂窩結構和圓柱形蜂窩結構的散熱性能和散熱-承載綜合性能；根據對工程界普遍接受的散熱性能和散熱-承載性能兩個指標的分析，論證了Kagome蜂窩明顯優(yōu)于傳統(tǒng)蜂窩，尤其是散熱-承載綜合性能，Kagome蜂窩高出傳統(tǒng)蜂窩數(shù)倍?；跀?shù)學推導說明了工程中采用的指標優(yōu)化方法與結構優(yōu)化界的多目標優(yōu)化模型兩者之間的關系，并指出了指標優(yōu)化方法的不足之處。 2．給出了正交各向異性蜂窩

3、填充的夾層結構和正方形截面柱狀結構的散熱性能和散熱-承載性能優(yōu)化設計，具體考慮了矩形和等腰三角形兩種正交各向異性蜂窩。在采用散熱-承載性能工程指標優(yōu)化的基礎上，構造了兩種雙層規(guī)劃模型，給出了多目標優(yōu)化設計的有效解集，和優(yōu)化特定的單一指標相比，為設計人員提供更多的選擇，對正交各向異性蜂窩填充結構的多功能優(yōu)化設計非常有效。 3．研究了允許蜂窩非均勻分布時的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了蜂窩結構的“材料-結構一體化設計”(蜂窩非均勻分布設計)。論文

4、選取蜂窩局部相對密度和特征尺寸兩類設計變量，基于結構拓撲優(yōu)化技術，建立并對典型問題求解了最優(yōu)散熱性能模型。發(fā)現(xiàn)優(yōu)化蜂窩材料分布的特點是：在溫度梯度較高區(qū)域，蜂窩相對密度高且孔徑??；與均勻分布的蜂窩填充設計比較，優(yōu)化設計使截面上的溫度分布更加均勻，降低了溫度梯度的差異，從而使更多的蜂窩與流體進行熱量交換，其最優(yōu)散熱性能指標值比蜂窩均勻分布的最優(yōu)設計有較大幅度的提高。另外，論文給出了全密度蜂窩填充結構的最優(yōu)散熱性能設計和散熱-承載綜合性能設

5、計。基于構造的散熱-承載綜合性能評價函數(shù)，給出了滿足不同設計意圖的多目標優(yōu)化有效解及近似的有效解集(Pareto集)。 4．針對多種不同構型的蜂窩，開展了考慮三維溫度變化的蜂窩填充結構多功能拓撲優(yōu)化設計。根據實際問題對壓降的不同要求，建立了最優(yōu)散熱性能和最大熱交換量兩個優(yōu)化模型。應用這兩個模型，論文對實際尺寸的蜂窩型CPU散熱器和化工反應中的催化劑載體進行了拓撲優(yōu)化設計。對得到的新穎設計構型的分析表明：隨著初始流速的提高，論文給

6、出的蜂窩非均勻分布優(yōu)化設計方法所取得的性能收益越大。對于強放熱反應催化劑載體的拓撲優(yōu)化結果顯示，最優(yōu)非均勻分布設計可以有效提高載體的移熱效率和截面直徑，從而提高反應器的安全性和經濟效益。 5．采用“平板開縫-裝配-焊接”工藝制備了以高聚物為基體的Kagome等蜂窩結構并開展了實驗研究和數(shù)值模擬。對 Kagome、正三角形、菱形和正六邊形蜂窩結構開展了面內壓縮和沖擊力學行為的實驗研究，應用圖像相關法進行全場位移測量。實驗結果和數(shù)值