[发明专利]基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法

摘要

本发明涉及一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，属于航天器轻量化多功能结构技术领域。本发明所述方法考虑了增材制造工艺约束，通过宏微观结合的手段，可快速设计出满足增材制造要求的一体化结构。所设计的相变储能装置结构内部为三维网络结构，实现轻量化设计和内部连通，较传统结构减重60％以上；采用特定结构的稀疏点阵胞元和致密点阵胞元配合填充，避免出现悬臂杆件以实现两种胞元之间无缝拼接，而且避免顶部结构的坍塌；另外，所述设计的相变储能装置结构不存在焊接导致的强度问题，在航天器轻量化多功能结构设计领域具有良好的应用前景。

主权项

一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，其特征在于：所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体(5)，内部为三维网络结构；所述壳体(5)为一个长方体结构，壳体(5)上加工有工艺孔和充装孔；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)两种重复单元在空间平移排列形成的；其中，稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)均是由圆柱形杆件构成的对四棱锥结构；所述设计方法步骤如下，(1)增材制造工艺约束分析对于百毫米尺寸的相变储能装置，选用激光选区熔化成型技术进行制造；根据激光选区熔化成型技术的工艺约束，确定圆柱形杆件的最小直径ΦMin、壳体(5)的最小壁厚tMin以及致密点阵胞元(2)的最大尺寸Max；(2)整体结构形式设计外部为厚度均匀的壳体(5)，其宽度、高度、厚度分别记为W、H、T，根据具体相变储能装置的尺寸要求，确定W、H、T的值；壳体(5)内部采用稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)配合形成三维网络结构，满足外部密封、内部连通以及轻量化的要求；(3)稀疏点阵胞元及其空间分布设计稀疏点阵胞元(1)在壳体(5)内部空间平移排列形成稀疏点阵阵列(3)，而由稀疏点阵胞元(1)填充形成的稀疏点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W1＝W‑Φ，H1＝H‑Φ，T1＝T‑Φ；其中，Φ为圆柱形杆件的直径；(4)致密点阵胞元及其空间分布设计致密点阵胞元(2)在三个正交方向的设计尺寸为d1＝D1/2，d2＝D2/2，d3＝D3/2；其中，D1、D2和D3为稀疏点阵胞元(1)在三个正交方向相应的设计尺寸；致密点阵胞元(2)在壳体(5)内部空间平移排列形成致密点阵阵列(4)，而由致密点阵胞元(2)填充形成的致密点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W2＝W‑Φ，H2＝(n+0.25)×D1，T2＝T‑Φ，n为正整数；(5)建立宏观实体模型根据步骤(1)～(4)对尺寸的设计要求，分别对稀疏点阵阵列区域、致密点阵阵列区域以及壳体(5)进行三维几何建模，壳体(5)上的工艺孔和充装孔要同时建立；(6)建立微观点阵模型根据步骤(3)和(4)对稀疏点阵胞元(1)以及致密点阵胞元(2)尺寸的设计要求，用稀疏点阵胞元(1)填充稀疏点阵阵列区域宏观模型的内部空间，用致密点阵胞元(2)填充致密点阵阵列区域宏观模型的内部空间，对所建立的微观稀疏点阵模型和微观致密点阵模型分别赋予圆柱形杆件直径属性，ΦMin≤Φ≤3ΦMin，同时删除稀疏点阵阵列区域宏观模型和致密点阵阵列区域宏观模型；(7)建立宏微观一体化模型将步骤(6)所建立的微观稀疏点阵模型和微观致密点阵模型，以及步骤(5)所建立的宏观壳体结构模型，进行装配，使得稀疏点阵阵列区域的几何中心与壳体(5)的几何中心重叠，形成宏微观一体化模型；(8)力学强度分析验证对步骤(7)建立的宏微观一体化模型进行有限元力学计算，分析在设计载荷条件下结构强度是否满足安全裕度要求，若是则进行步骤(9)；若不是，则改变壳体(5)的壁厚、圆柱形杆件的直径或者致密点阵胞元(2)的填充区域，并重复步骤(3)～(7)；(9)设计结果输出及制造将满足力学强度要求的宏微观一体化模型进行输出，并利用激光选区熔化技术进行增材制造，得到相变储能装置点阵夹层结构。