多功能復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)主動(dòng)換熱及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、近十年來(lái)，各領(lǐng)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)微型化、集成化和輕質(zhì)多功能的關(guān)注迅速提升，尤其是在對(duì)減輕重量、節(jié)省體積和多功能一體化有強(qiáng)烈追求的航空航天領(lǐng)域。拉伸主導(dǎo)型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是兼顧材料、結(jié)構(gòu)、功能等因素的功能性構(gòu)型材料，其不僅可以提供優(yōu)異的力學(xué)性能，還具有實(shí)現(xiàn)熱控管理、能量吸收、抗沖擊等多功能一體化的潛在優(yōu)勢(shì)；而碳纖維復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)更是被視為最具前景的新一代超輕材料的首選，符合輕質(zhì)多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的發(fā)展需求。
　　本論文以航天器子系統(tǒng)電子元件

2、多功能結(jié)構(gòu)為工程應(yīng)用背景，以實(shí)現(xiàn)承載和熱控功能一體化為研究目的，對(duì)復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的制備工藝及力學(xué)性能、主動(dòng)熱控性能和多場(chǎng)耦合行為進(jìn)行了研究，并對(duì)結(jié)構(gòu)芯體胞元幾何參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為該結(jié)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)多功能一體化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　針對(duì)現(xiàn)有碳纖維復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)各制備工藝中存在的問(wèn)題，采用熱模壓二次成型法制備了含有橫條的復(fù)合金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的面外壓縮、面內(nèi)剪切、面內(nèi)壓縮和三點(diǎn)彎曲性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論預(yù)報(bào)。結(jié)果表

3、明，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到了提升，但節(jié)點(diǎn)破壞仍是限制結(jié)構(gòu)潛能充分發(fā)揮的重要因素。此外，提出了一種芯體節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)編織的形式進(jìn)一步克服橫條與芯體脫離的新型破壞模式。通過(guò)與同類型同材質(zhì)結(jié)構(gòu)和Ashby工程材料的對(duì)比分析，證明該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，尤其是在材料低密度范圍內(nèi)優(yōu)勢(shì)尤為顯著，且仍具有進(jìn)一步改進(jìn)空間。
　　采用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和經(jīng)典翅片理論對(duì)含局部?jī)?nèi)熱源的復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)主動(dòng)換熱下的熱場(chǎng)進(jìn)行了理論分析，并在寬泛的雷諾數(shù)范圍內(nèi)數(shù)值

4、研究了強(qiáng)制水冷下的流體流動(dòng)和熱傳輸特性，通過(guò)局部流動(dòng)類型和速度場(chǎng)的多種表征形式揭示了結(jié)構(gòu)的換熱機(jī)制，基于無(wú)量綱熱傳輸參數(shù)和熱場(chǎng)分布表征參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的換熱性能進(jìn)行表征和評(píng)價(jià)，討論了熱控主要指標(biāo)—熱源最高溫度對(duì)熱控內(nèi)、外在主要影響因素的響應(yīng)，給出了熱源熱流密度和胞元幾何參數(shù)影響的擬合關(guān)系，并指出結(jié)構(gòu)存在熱控速度閾值?？紤]壓降、熱傳輸性能等多因素對(duì)各常見(jiàn)換熱媒介進(jìn)行了綜合比較分析，證明該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的綜合主動(dòng)換熱性能。
　　對(duì)含局部?jī)?nèi)熱源

5、的復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)主動(dòng)換熱時(shí)受特定外加彎曲載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)合實(shí)際將這一復(fù)雜多場(chǎng)耦合問(wèn)題簡(jiǎn)化為遞進(jìn)的幾種簡(jiǎn)單組合問(wèn)題，探究了結(jié)構(gòu)在熱-流-固多場(chǎng)作用下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布狀況，揭示了熱-力順次耦合與完全耦合條件下的場(chǎng)分布差異，并指出了彎曲變形對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部局部流體流動(dòng)及結(jié)構(gòu)換熱性能的影響。研究表明，相對(duì)于內(nèi)熱源的結(jié)構(gòu)內(nèi)凹型變形有助于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)換熱性能的提升。
　　為更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的承載-熱控一體化，采用Paret

6、o（帕累托）多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法，以復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度、力學(xué)特性和熱控最高溫度為選擇性組合優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)桿件傾角、芯體高度、桿件直徑三個(gè)芯體胞元主要幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得不同優(yōu)化問(wèn)題的Pareto優(yōu)化前沿，揭示了各優(yōu)化問(wèn)題對(duì)各子目標(biāo)函數(shù)的整體敏感性以及子目標(biāo)函數(shù)對(duì)各優(yōu)化變量的單一敏感性，并給出了各優(yōu)化解集內(nèi)相對(duì)密度與溫度、相對(duì)模量之間的近似優(yōu)化關(guān)系。結(jié)果表明，芯體高度為最主要優(yōu)化參數(shù)，而 Pareto優(yōu)化傾角約為45°。最優(yōu)