蜂窩結(jié)構(gòu)多功能優(yōu)化設(shè)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(xué)術(shù)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(shè)計和實驗驗證三種方法，對蜂窩結(jié)構(gòu)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(shè)計，對制備方法也進(jìn)行了初步探討。 本論文的主要研究成果如下： 1．給出了復(fù)雜構(gòu)型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的散熱性能分析方法。對Kagome等組合蜂窩，解析推導(dǎo)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(chǔ)上，采用連續(xù)介質(zhì)模型，研究了“組合蜂窩”填充的夾層蜂窩結(jié)構(gòu)和圓柱形蜂窩結(jié)構(gòu)的散熱性能和散熱-承載綜合性能；根據(jù)對工程界普遍接受的散熱性能和散熱-承載性能兩個指標(biāo)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(xué)推導(dǎo)說明了工程中采用的指標(biāo)優(yōu)化方法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化界的多目標(biāo)優(yōu)化模型兩者之間的關(guān)系，并指出了指標(biāo)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(jié)構(gòu)和正方形截面柱狀結(jié)構(gòu)的散熱性能和散熱-承載性能優(yōu)化設(shè)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(biāo)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了兩種雙層規(guī)劃模型，給出了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的有效解集，和優(yōu)化特定的單一指標(biāo)相比，為設(shè)計人員提供更多的選擇，對正交各向異性蜂窩填充結(jié)構(gòu)的多功能優(yōu)化設(shè)計非常有效。 3．研究了允許蜂窩非均勻分布時的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了蜂窩結(jié)構(gòu)的“材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計”(蜂窩非均勻分布設(shè)計)。論文

4、選取蜂窩局部相對密度和特征尺寸兩類設(shè)計變量，基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，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?。慌c均勻分布的蜂窩填充設(shè)計比較，優(yōu)化設(shè)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(jìn)行熱量交換，其最優(yōu)散熱性能指標(biāo)值比蜂窩均勻分布的最優(yōu)設(shè)計有較大幅度的提高。另外，論文給出了全密度蜂窩填充結(jié)構(gòu)的最優(yōu)散熱性能設(shè)計和散熱-承載綜合性能設(shè)

5、計?；跇?gòu)造的散熱-承載綜合性能評價函數(shù)，給出了滿足不同設(shè)計意圖的多目標(biāo)優(yōu)化有效解及近似的有效解集(Pareto集)。 4．針對多種不同構(gòu)型的蜂窩，開展了考慮三維溫度變化的蜂窩填充結(jié)構(gòu)多功能拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。根據(jù)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(yīng)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(yīng)中的催化劑載體進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。對得到的新穎設(shè)計構(gòu)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(shè)計方法所取得的性能收益越大。對于強(qiáng)放熱反應(yīng)催化劑載體的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果顯示，最優(yōu)非均勻分布設(shè)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(yīng)器的安全性和經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)開展了面內(nèi)壓縮和沖擊力學(xué)行為的實驗研究，應(yīng)用圖像相關(guān)法進(jìn)行全場位移測量。實驗結(jié)果和數(shù)值