多功能復合點陣夾芯結構主動換熱及優(yōu)化設計.pdf

1、近十年來，各領域?qū)τ诮Y構微型化、集成化和輕質(zhì)多功能的關注迅速提升，尤其是在對減輕重量、節(jié)省體積和多功能一體化有強烈追求的航空航天領域。拉伸主導型點陣夾芯結構被認為是兼顧材料、結構、功能等因素的功能性構型材料，其不僅可以提供優(yōu)異的力學性能，還具有實現(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；而碳纖維復合點陣夾芯結構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)多功能復合結構的發(fā)展需求。
　　本論文以航天器子系統(tǒng)電子元件

2、多功能結構為工程應用背景，以實現(xiàn)承載和熱控功能一體化為研究目的，對復合點陣夾芯結構的制備工藝及力學性能、主動熱控性能和多場耦合行為進行了研究，并對結構芯體胞元幾何參數(shù)進行了多目標優(yōu)化設計，為該結構最終實現(xiàn)多功能一體化奠定堅實基礎。
　　針對現(xiàn)有碳纖維復合點陣夾芯結構各制備工藝中存在的問題，采用熱模壓二次成型法制備了含有橫條的復合金字塔點陣夾芯結構，并對結構的面外壓縮、面內(nèi)剪切、面內(nèi)壓縮和三點彎曲性能進行了實驗研究和理論預報。結果表

3、明，改進結構的力學性能得到了提升，但節(jié)點破壞仍是限制結構潛能充分發(fā)揮的重要因素。此外，提出了一種芯體節(jié)點交錯編織的形式進一步克服橫條與芯體脫離的新型破壞模式。通過與同類型同材質(zhì)結構和Ashby工程材料的對比分析，證明該結構具有優(yōu)良的綜合力學性能，尤其是在材料低密度范圍內(nèi)優(yōu)勢尤為顯著，且仍具有進一步改進空間。
　　采用熱阻網(wǎng)絡模型和經(jīng)典翅片理論對含局部內(nèi)熱源的復合點陣夾芯結構主動換熱下的熱場進行了理論分析，并在寬泛的雷諾數(shù)范圍內(nèi)數(shù)值

4、研究了強制水冷下的流體流動和熱傳輸特性，通過局部流動類型和速度場的多種表征形式揭示了結構的換熱機制，基于無量綱熱傳輸參數(shù)和熱場分布表征參數(shù)對結構的換熱性能進行表征和評價，討論了熱控主要指標—熱源最高溫度對熱控內(nèi)、外在主要影響因素的響應，給出了熱源熱流密度和胞元幾何參數(shù)影響的擬合關系，并指出結構存在熱控速度閾值。考慮壓降、熱傳輸性能等多因素對各常見換熱媒介進行了綜合比較分析，證明該結構具有優(yōu)良的綜合主動換熱性能。
　　對含局部內(nèi)熱源

5、的復合點陣夾芯結構主動換熱時受特定外加彎曲載荷作用下的結構響應問題進行了研究，結合實際將這一復雜多場耦合問題簡化為遞進的幾種簡單組合問題，探究了結構在熱-流-固多場作用下的溫度場和應力場分布狀況，揭示了熱-力順次耦合與完全耦合條件下的場分布差異，并指出了彎曲變形對結構內(nèi)部局部流體流動及結構換熱性能的影響。研究表明，相對于內(nèi)熱源的結構內(nèi)凹型變形有助于點陣夾芯結構換熱性能的提升。
　　為更好地實現(xiàn)結構的承載-熱控一體化，采用Paret

6、o（帕累托）多目標遺傳優(yōu)化算法，以復合點陣夾芯結構的相對密度、力學特性和熱控最高溫度為選擇性組合優(yōu)化目標，對桿件傾角、芯體高度、桿件直徑三個芯體胞元主要幾何參數(shù)進行了優(yōu)化設計，以獲得不同優(yōu)化問題的Pareto優(yōu)化前沿，揭示了各優(yōu)化問題對各子目標函數(shù)的整體敏感性以及子目標函數(shù)對各優(yōu)化變量的單一敏感性，并給出了各優(yōu)化解集內(nèi)相對密度與溫度、相對模量之間的近似優(yōu)化關系。結果表明，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)