材料與結(jié)構(gòu)的傳熱性能優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、本文結(jié)合航空、航天技術(shù)的發(fā)展，以均勻化理論和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)航空、航天器中經(jīng)常采用的具有抗沖擊、吸能、散熱、隔音等優(yōu)異功能的輕質(zhì)多孔復(fù)合材料進(jìn)行研究，提出了基于熱傳導(dǎo)性能的多孔材料與結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。 多孔材料或復(fù)合材料也可以看作一種結(jié)構(gòu)，具有可設(shè)計(jì)性。為了材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作做準(zhǔn)備，本文首先以均勻化方法研究了復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)問題。均勻化方法是一種嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，它以連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，假設(shè)宏觀結(jié)構(gòu)由周期

2、性微結(jié)構(gòu)元在空間中重復(fù)堆積而成，宏觀結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)是微結(jié)構(gòu)性能的平均值。本文通過計(jì)算結(jié)果比較，分析了復(fù)合材料體分比、纖維截面形狀、纖維與基體的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)復(fù)合材料整體導(dǎo)熱性能的影響。 近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提高，有限元方法的廣泛應(yīng)用，借助于有限元分析的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化廣泛應(yīng)用于航空、汽車等工程實(shí)際中。本文以宏觀結(jié)構(gòu)的散熱弱度為目標(biāo)函數(shù)，采用實(shí)體各向同性懲罰函數(shù)法(SIMP)，建立了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型和算法，將拓?fù)鋬?yōu)化方法成功應(yīng)

3、用到熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，開辟了熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種新思想和方法。 在以上研究基礎(chǔ)上，本文提出了基于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱性能的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。定義設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)微結(jié)構(gòu)每個(gè)單元的導(dǎo)熱系數(shù)為偽密度設(shè)計(jì)變量，約束材料用量，分別以材料微結(jié)構(gòu)某個(gè)方向?qū)嵝阅茏詈脼槟繕?biāo)和宏觀結(jié)構(gòu)的散熱性能最佳為目標(biāo)，構(gòu)造單胞結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的靈敏度計(jì)算公式；采用凸規(guī)劃對(duì)偶求解與周長控制約束相結(jié)合進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，獲得了優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)構(gòu)

4、型。 均勻化方法的計(jì)算格式使用小參數(shù)漸進(jìn)展開近似，等效參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果屬于極限值而無法反映表征體胞真實(shí)尺度的影響。事實(shí)上，多孔材料物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果與均勻化計(jì)算結(jié)果均存在一定差異，這種差異就是材料的尺度效應(yīng)。目前，基于均勻化方法的材料微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)無法體現(xiàn)材料尺度對(duì)宏觀結(jié)構(gòu)傳熱性能優(yōu)化結(jié)果的影響。為此，本文提出一種以結(jié)構(gòu)散熱性最佳為目標(biāo)函數(shù)，材料表征體胞拓?fù)錁?gòu)型為變量的材料/結(jié)構(gòu)尺度關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)新方法。通過表征體胞的有限超單元建模技術(shù)