[发明专利]一种复合材料多尺度防热优化方法

说明书

本发明提供了一种复合材料多尺度防热优化方法，包括以下步骤：步骤1、根据设计变量建立待优化复合材料的有限元模型包括细观有限元传热分析模型、宏观有限元传热分析模型以及胞体扩展模型；步骤2、对建立的细观有限元传热分析模型进行细观传热分析，得到等效热物性参数；通过胞体扩展模型将细观传热分析获得的等效热物性参数传入宏观有限元传热分析模型进行宏观传热分析；传热分析中，通过调整设计变量对细观传热分析模型和宏观传热分析模型进行优化，若优化后目标满足约束条件则结束优化，输出传热分析结果；若不满足约束条件，重新调整有限元模型的设计变量，反复迭代直至输出传热分析结果。采用本发明的方案可以以更有效降低温度同时引入优化算法和网格自由变形技术有效提高计算效率。

技术领域

本发明涉及热科学领域，特别涉及一种复合材料多尺度防热优化方法。

背景技术

复合材料被认为是航天航空领域最具有发展前途的高温材料，已广泛应用于飞行器的各个部件。但长时间持续加热环境，会使得复合材料/结构的面临着热安全隐患，难以保证极端环境下工作的安全性和可靠性。目前，可以通过结构设计吸收或耗散热量的方式去实现结构防热，同时调整材料的物性参数、几何尺寸、安装位置等去实现复合材料结构防热优化的需求。但是目前大部分防热优化方法仅考虑了宏观尺寸，未考虑基于材料多尺度设计(微观到宏观再到结构)的协同设计理念，难以适应日趋复杂的极端工况。因此，有必要研究复合材料/结构的多尺度防热优化问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种复合材料多尺度防热优化方法，兼顾材料与结构一体化传热性能，可应用于降低复合材料构件存在热安全隐患区域的温度。

本发明采用的技术方案如下：一种复合材料多尺度防热优化方法，包括以下步骤：

步骤1、根据设计变量建立待优化复合材料的有限元模型包括细观有限元传热分析模型、宏观有限元传热分析模型以及胞体扩展模型；

步骤2、对建立的细观有限元传热分析模型进行细观传热分析，得到等效热物性参数通过胞体扩展模型将细观传热分析获得的等效热物性参数传入宏观有限元传热分析模型进行宏观传热分析；传热分析中，通过调整设计变量对细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型进行优化，若优化后目标满足约束条件则结束优化，输出传热分析结果；若不满足约束条件，重新调整有限元模型的设计变量，反复迭代直至输出传热分析结果。

进一步的，所述步骤1的具体方法包括：根据设计变量建立细观模型及宏观模型，并对分别对细观模型和宏观模型进行有限元网格划分，得到用于传热分析的细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型；所述细观模型为单胞模型，宏观模型为复合材料构件模型；同时针对细观模型建立胞体扩展模型，用于将细观传热特性应用于宏观热物性的预测。

进一步的，所述等效热物性参数包括等效导热系数、等效密度、等效比热，具体计算方法为：

等效导热系数：

等效密度：

等效比热：

其中，A_i是第i个单位垂直于加热方向表面的表面积；q_i是通过该面积的热流密度；d_c为传热距离；T_up是上表面温度；T_down是下表面温度；V是体积；ρ是密度；c是比热容；下标“eff”表示等效。

进一步的，优化目标及约束条件为：

minf＝f(Temp_ji)