具有零膨胀和高比刚度的三维点阵材料优化设计与性能分析

作     者：刘静昭 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阎军

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：点阵材料 拓扑优化 形貌优化 零膨胀 比刚度 

摘      要：航空航天器在超高、低温或温度快速变化的服役环境下,自身结构的稳定性和探测仪器的测试精度都会受到热问题的挑战。为避免精密结构或设备在热变形或热应力的影响下失去原有的设计功能,设计具有热稳定性能的材料变得十分迫切。点阵材料作为一种拥有高孔隙率的结构化材料,具有轻质、高比刚度、隔热、可设计性强等优秀性能,与航空航天领域对材料的轻量化和多功能性需求有着极高的契合程度,是设计零/低膨胀材料十分合适的选择。本论文旨在设计有助于提高航空航天结构及相关电子设备热稳定的材料,针对具有高刚度零膨胀性能的三维金属点阵材料的优化设计、性能分析和制备展开了一些列的研究工作。具体内容如下:1.点阵材料微单胞构型设计。结合逆均匀化设计思想和NIAH方法建立了多功能点阵材料优化设计的技术路线,并基于该路线开展了兼具高刚度和特定方向零膨胀性能的点阵材料微单胞构型优化设计,其中包括了拓扑优化、尺寸优化和形貌优化设计。通过多轮计算得到创新微单胞并对其开展了热变形机理研究,指出微结构内各个杆件受热变形的方向及大小不同并互相制约是其具有零膨胀性能的根本原因。2.创新微单胞性能验证与分析。基于数值模拟,计算了创新点阵结构在单位温升下的热变形以验证零膨胀设计的有效性,同时指出边界处单胞的受力不平衡是结构热变形具有边界效应的本质原因。对创新微单胞的承载及多用途性展开了分析与讨论:基于Ashby图对比创新微单胞与众多先进材料的比刚度,证明其在承载性能上的优越性;在与多种点阵材料微单胞的体积模量和热膨胀系数的综合对比结果表明创新微单胞具有较强的多功能性;通过改变相对材料密度,可以在较大范围内调控创新微单胞的弹性模量和热膨胀系数,表现出一定程度的性能调节能力。3.面向制造的创新微单胞改良设计。基于双金属点阵材料的制备方法及相应的制造性约束,指出现有的梁模型创新微单胞中存在的双材料相互嵌入现象会增加制造难度。同时,梁单元的热变形模式与实际物理现象的差异会导致热变形仿真结果精度不足。以增强实用性,降低制造难度为目的,建立了实体创新微单胞模型,调整了双材料交界处的材料分配方式,优化了部分杆件的截面形状。基于数值模拟和NIAH方法计算了改良的实体创新微单胞的热变形和等效弹性模量,证明其刚度和热膨胀性能未因建模方式的改变而被削弱。