基于球单元的隔热散热设计方法与流程

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。

技术实现要素：

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；

(74)将步骤(73)中调整好的载荷条件、基本物理机械性能种类和(71)中的材料基本物理机械性能作为输入参数，采用有限元分析软件进行产品受力模拟分析，从零开始增加载荷力的大小，模拟分析出产品的强度，即可推演出相应产品在实际工况下不会变形过大而失效，能够承受得住相应的载荷。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤(71)中，基本物理机械性能包括：抗拉强度、弹性模量、布氏硬度、泊松比、屈服强度、切线模量和密度。

作为本发明的进一步改进，步骤(71)、(72)、(73)、(74)中所述的载荷条件指的是施加载荷力的大小、力的方向、力的作用点和力的分布情况。

本发明的有益效果是：本发明的设计技术应对了现有材料制造的产品难以满足设计要求的现状，能制造出重量轻、强度大、隔热或散热能力好的产品。

附图说明

图1是本发明的方法框图。

具体实施方式

本发明公开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，如合理半径大小的实心球体、空心球壳、带孔洞的球壳、半球或球体的拓扑结构等球单元，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。

本发明具体包括如下步骤：

(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；当适当地改变多孔结构的孔径大小时，可以提升产品的隔热性能；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；

(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。

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。

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；

(74)将步骤(73)中调整好的载荷条件、基本物理机械性能种类和(71)中的材料基本物理机械性能作为输入参数，采用有限元分析软件进行产品受力模拟分析，从零开始增加载荷力的大小，模拟分析出产品的强度，即可推演出相应产品在实际工况下不会变形过大而失效，能够承受得住相应的载荷。

在所述步骤(71)中，基本物理机械性能包括：抗拉强度、弹性模量、布氏硬度、泊松比、屈服强度、切线模量和密度。

步骤(71)、(72)、(73)、(74)中所述的载荷条件指的是施加载荷力的大小、力的方向、力的作用点和力的分布情况。

对设计出的部件进行步骤(71)-步骤(74)的测试实验，不断优化部件的内部结构设计，如将空心球改为实心球等方法改变球单元的结构性质，从而达到最优化的设计。

将改进的内部结构设计建立相应的球心的三维位置、球心半径的结构矩阵，设计出相应的结构算法，利用3D打印技术进行量化生产。

本发明填充的球单元包括但不限于球、由球衍生出的球壳、表面含孔洞的球壳以及球的拓扑结构等多种几何体。

亚表面是指在几何外形固定产品的内部空间，通过改变产品内部的结构优化产品的力学性能和物理特性，包括但不限于应力分布、比刚度、比强度和传热特性等。

使用的多孔网状结构是基于上述定义的球单元的结构。

球单元的设计自由度包括单元种类和分布特征，单元种类包括但不限于实体球、表面打孔的球壳等，分布特征包括但不限于球单元三维坐标数学参数等。

本发明利用拓扑优化的方法，设计出最优的导热通道，并通过填充球单元及其拓扑结构的方法来构造导热通道，从而优化产品的隔热或散热性能。

本发明具体涉及一种基于球单元的亚表面多孔网状结构的设计方法，用于设计出具有优良的散热或隔热性能同时具备优良力学性能的产品。本方法需要结合部件设计需求，利用拓扑优化的方法选择合适的位置设计球单元多孔网状结构，进而设计出具有优良力学性能和隔热或散热性能的产品。

本发明基于球单元的亚表面多孔网状结构来优化产品的隔热或散热性能的设计方法，本方法通过利用拓扑优化方法设计出最优的传热通道来提升产品的散热性能，或通过合理地改变多孔结构的孔径大小来提升产品的隔热性能，之后通过设计合适的亚表面多孔网状结构，从而提升部件的结构强度、抗压抗磨损性能等力学性能和增加传统结构所没有的超阻尼等物理特性，实现在不改变结构外形条件下能根据结构使用要求改变结构的质量分布、刚度分布、载荷路径、阻尼分布、失效分布、模态分布、传热分布、寿命分布等机械性能，构建出具有优良隔热或散热性能、满足产品外部应力需求的多孔网状结构，具体在于利用球、由球衍生出的球壳、表面含孔洞的球壳以及球的拓扑结构等多种球单元几何体的合理组合，通过改变球单元的种类、分布规律等参数，设计出以球单元为基础的亚表面多孔网状结构，达到提升产品的隔热或散热性能、力学性能和物理特性的目的。本发明的设计技术应对了现有材料制造的产品难以满足设计要求的现状，能制造出重量轻、强度大、隔热或散热能力好的产品。

本发明具体的技术优势如下：

通过拓扑优化方法构造出的最优的导热通道，通过在产品内通过填充球单元及其拓扑结构来构造导热通道，在满足最优导热性能的前提下通过改变球单元的结构属性可以满足产品的外部应力需求，在应力集中的地方增大内部结构的强度，例如使用实心球体、实心半球等，在应力分散的地方减小内部结构的强度，例如使用空心球壳等。同时多孔结构通过以极低的体积密度和内部大量的纳米孔洞对传导、对流和辐射这3种基本的传热方式形成有效的抑制。极低的密度，能大幅度降低固态热导率；在维持多孔结构的同时，使孔洞的尺寸尽可能小，当直径小于常温下空气的平均自由程70nm时，气体分子的热运动受到限制，因而可忽略气体对流热传导。通过设计合理的结构可以增强产品的隔热性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。