[发明专利]基于球单元的隔热散热设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构设计技术领域，尤其涉及基于球单元的隔热散热设计方法。

背景技术

多孔网状结构具备轻质、多功能和可设计等特点，具有高比强度、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能，以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性等特殊性质，从而具有广泛的应用前景。闭孔多孔结构具有低的传热系数可用于隔热，开孔多孔结构具有流动通道可用于散热，而可设计性便于对力学和散热结构的设计优化。

拓扑优化的导热通道设计方法通过基于几何平均温度的散热性能描述指标，以此为目标函数建立散热结构设计优化模型，并对目标函数进行敏度分析，得到用最优导热材料分布表征的导热通道的概念设计，同时在保持结构特征不变的前提下，通过对高导热材料分布进行简单的规则化和边界光滑，得到便于工程使用的高导热通道设计。

3D打印，也叫快速成形技术、增材制造技术,原理是将三维的实体的数字模型(CAD文件)离散化成切片模型，再将切片模型转化为打印头的行走轨迹，通过打印头将材料不断添加到打印件上去，这样材料就按照打印轨迹不断的被添加，逐层打印起来，就形成了最终的实体打印件。与传统制造业的“减材制造技术”不同，3D打印遵从的是加法原则，可以直接将计算机中的设计转化为模型，直接制造零件或产品，不再需要传统的刀具、夹具和机床；同时直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品，极大地简化了生产的流程，降低了材料的生产成本，缩短了产品的设计与开发周期，使得生产任意复杂结构零部件成为可能，也是实现材料微观组织结构和性能的可设计的重要技术手段。

3D打印耗材包括：塑料、橡胶、金属、粉末、尼龙、薄膜、树脂、石蜡、石膏、尼龙丝、钛合金、陶瓷等不同材料。3D打印技术将使得商品的生产制造进入全新的阶段，生产的组织方式也会更加扁平化，而它潜在的对生产的巨大解放，能够极大提高我们社会生产效率。

球具有优良的力学性能，数学表达精简，其结构的特殊性，可以将应力集中处的极高应力通过球与球间的接触分散。

背景技术的缺陷：现行部件没有良好的隔热或散热性能，或部分多孔结构的产品因受外界应力需求而无法构建最优导热通道。

发明内容

本发明提供了一种基于球单元的隔热散热设计方法，通过利用拓扑优化的方法设计最优的导热通道，并通过在产品指定的位置填充球单元或球单元的拓扑结构，从而构造出最优的导热通道，设计出隔热或散热性能优良、同时质量轻强度大的产品的过程。

作为本发明的进一步改进，包括如下步骤：

(1)定义设计域、载荷和边界条件；

(2)对导热区域划分有限元网格，同时初始化各变量；

(3)利用基于SIMP材料模型的拓扑优化方法，对产品各单元进行有限元分析，求解温度场，同时设计出最优的导热通道；

(4)在产品的指定的位置填充球单元或球单元的拓扑结构，从而构造出最优的导热通道，使产品具有良好的散热性能；

(5)对设计好内部结构的产品在设计要求的工况下进行有限元分析，得出部件的应力分布与力学性能相关的参数；

(6)对步骤(5)获得的力学参数进行数据分析、归纳整理，得到系统性、综合性的力学问题和优化导向，通过改变球单元的材料、结构实现产品所需的强度要求；

(7)对步骤(6)中设计出的结构，进行计算机仿真分析和相关测试验证部件是否满足设计需求。

作为本发明的进一步改进，所述球单元或球单元的拓扑结构包括实心球体、空心球壳、带孔洞的球壳、半球或球体的拓扑结构。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤(7)中，包括如下步骤：

(71)通过常规实验测试3D打印出的产品的基本物理机械性能；

(72)按照部件在实际工作中的工况搭建微缩的试验平台，从零逐渐增加载荷，在试验平台上对产品进行加载试验，采用电阻应变片法测试不同载荷条件下部件的变形分布以及变形量变化情况；

(73)将步骤(71)中测量的部件的基本物理机械性能以及基本物理机械性能种类与步骤(72)中的不同载荷条件作为基本输入值，采用有限元分析软件进行产品的受力模拟分析；将模拟的变量分析结果与步骤(72)中实测结果进行对照，符合度大于90％则进行下一步，否则返回到(73)调整基本物理机械性能种类及载荷条件，再次进行模拟分析，直到理论和试验符合度达到要求；