CN110329551A - 一种仿生多功能热防护结构及其成形方法 - Google Patents

一种仿生多功能热防护结构及其成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于SLM成形的仿生多功能热防护结构，采用SLM技术实现结构的成形，由面板层和功能层组成，其中功能层由管状结构以及内部微结构组成，相邻层的管之间保证一定尺寸的交联，确保结构获得牢固的连接。本发明是根据仿生学原理，并基于马尾草微结构特征设计成一种新型的仿生多功能热防护结构，当结构与气流发生相互作用时，受到热载荷和冲击载荷的双重作用，在功能层的作用下热量的传递方式发生改变，相比于无微结构的结构而言，隔防热性能明显提高，此外功能层可以有效的缓解结构中的应力集中，缓冲冲击过程中的部分能量，从而提高结构的抗冲击性能。

Description

一种仿生多功能热防护结构及其成形方法
技术领域
本发明涉及仿生结构工程技术领域，具体涉及一种仿马尾草茎干的多功能热防护结构。
背景技术
近年来，随着航空航天领域的快速发展，高超飞行器和可重复使用的运载火箭已然成为航空航天领域的重要组成部分，然而飞行器在高速巡航和返回阶段不得不承受严重的气动加热，因此在飞行器外层需要穿上热防护结构外衣，热防护系统是使飞行器在较高的气动加热环境下免遭过热的结构。热防护结构可以有效地提高飞行器的安全性和稳定性，热防护结构不但可以保护飞行器内部构件免受高温的破坏，而且还可以提供足够的承载能力，其与飞行器的承力结构和推进设备具有同等重要的作用。在各种材料的热防护结构中，金属热防护结构不但可以起到隔防热的作用，而且还可以作为承力构件，与传统的航天飞机陶瓷热防护系统相比，可实现减重15％～20％，此外相比于普通的热防护结构的胶粘连接而言，金属热防护结构可以实现与飞行器内部构件形成机械连接，连接更加牢固稳定。
经过数亿年的发展，自然界的生物结构逐渐表现出优越的性能，并且为技术的发展和创新提供了源源不断的原型，研究表明马尾草内部与外部的温度差异很大，其内部微结构特征可以有效的阻隔热量的传输，在某种程度上起到有效地隔防热效果，同时在大风的冲击下，也不会被折断，具有抗风冲击、抗弯能力强的特点，通过对马尾草内部微结构特征进一步的观察发现，不同的马尾草具有不同的内部微结构，进而决定了其性能，进而适应不同的环境下的外部载荷。基于马尾草优异的隔热和抗冲击性能，为热防护结构提供了天然的生物蓝本。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提供一种仿生多功能热防护结构，解决航空航天领域极端环境下的热防护问题；本发明的另一目的在于提供一种上述热防护结构的成形加工方法。
技术方案：本发明所述仿生多功能热防护结构，由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，用于与飞行器的连接；
功能层包括若干中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。
本发明进一步优选地技术方案为，在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
作为优选地，所述大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量；所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。
优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1mm，外径为1.4mm。
优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1.5mm，外径为1.9mm。
优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为2mm，外径为2.4mm。
优选地，所述面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
本发明的仿生多功能热防护结构的成形方法，包括如下步骤：
1)模型设计及处理：构建结构的三维实体几何模型，并通过3D打印模型处理软件对结构进行分层切片处理，切片层厚为20～100μm；
2)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中放成形Ti6Al4V基板，并在粉料缸中导入高质量Ti6Al4V球形粉末，关闭腔体，向腔体中通入保护气体，同时开启除气系统，直到腔体中的氧含量降为0；
3)建立加工任务：设定铺粉厚度与步骤1)的切片层厚一致，设定激光成形的最优参数，加工之前对基板进行预热，预热温度为200℃；
4)选区激光熔化成形：准备工作完毕之后，开始成形加工，加工过程中采用的激光扫描策略为分区岛状扫描策略，系统将二维平面划分成多个岛状的小区域，当激光扫描完成一个小区域时，对成形边界进行勾边，一个区域成形完成后开始成形下一个岛状区域，直到整个二维平面成形完毕；成形缸向下移动至模型的下一分层，同时粉料缸向上移动同等距离，刮刀将粉末从粉料缸铺到成形缸，开始成形下一层，直至整个实体构件被加工完毕为止，获得钛合金仿生多功能热防护结构。
进一步地，步骤3)中激光成形的最优参数是通过工艺优化实验获得，激光能量为200～300W，扫描速度为600～1000mm/s，光斑直径为50～90μm，扫描间距为110～150 μm。
优选地，步骤4)中扫描策略为初始激光扫描角度为53°，层与层之间的旋转增量为37°。
选区激光熔化技术是一种可以根据CAD数据直接制作复杂的三维金属零件的增材制造(AM)工艺，其原理是通过软件分层离散以及数控成形系统，将复杂的三维模型进行切片处理，导入到加工系统中，以金属粉末为材料，通过激光与粉床的相互作用，使得金属粉末发生熔化然后凝固成实体片层，依此类推逐层堆积，最终形成一个完整的实体构件。由于激光增材制造技术可以实现复杂结构的一次成形，所以激光增材制造技术与仿生领域相结合，采用选区激光熔化技术成形仿生构件，既能充分发挥SLM技术的优势，同时也能确保复杂结构的成形质量，降低制造成本。
本发明中，上面板层作为直接接触外部环境的部分，一方面对内部微结构功能层起到直接的保护作用，还可以与飞行器的其他构件形成机械连接，中间的功能层可以有效地抵御外部的冲击载荷同时起到隔防热的作用，当受到外部载荷的冲击时，功能层有效地实现了应力的分散，抑制了裂纹的进一步扩展，避免结构发生连续的断裂。此外这样的微结构有效的改变了热量传输的路径及方式，有效的削减了热量传输的动力，有效的提高了结构的热阻，因此结构具有优良的隔防热性能。
有益效果：本发明以仿生学为出发点，受马尾草内部微结构特征启发，开发出一种基于SLM成形的仿生多功能热防护结构，采用先进的选区激光熔化技术实现复杂构件的一次成形，经试验验证结构不但具有良好的热防护性能，而且还具有良好的能量吸收行为，此外这样的结构设计还实现了结构的轻量化，降低了制造和使用成本。
本发明基于SLM成形的仿生多功能热防护结构，采用SLM技术实现结构的成形，该热防护结构呈现三明治结构特征，主要由面板层和功能层组成，其中功能层管状结构以及内部微结构组成，相邻层的管之间保证一定尺寸的交联，确保结构获得牢固的连接。本发明是根据仿生学原理，并基于马尾草微结构特征设计成一种新型的仿生多功能热防护结构，当结构与气流发生相互作用时，受到热载荷和冲击载荷的双重作用，在功能层的作用下热量的传递方式发生改变，相比于无微结构的结构而言，隔防热性能明显提高，此外功能层可以有效的缓解结构中的应力集中，缓冲冲击过程中的部分能量，从而提高结构的抗冲击性能。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构剖面示意图；
图2为本发明实施例2的结构剖面示意图；
图3为本发明实施例3的结构剖面示意图；
图4为本发明实施例4的结构剖面示意图；
图5位本发明实施例1～4的热防护效果统计图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：一种仿生多功能热防护结构，结构的三维尺寸为20mm*20mm*17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高将热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm 的偏移量。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68 μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法，包括如下步骤：
1)模型设计及处理：采用NX 10.0软件构建结构的三维实体几何模型，并通过3D打印模型处理软件Materialise Magics 21.0对结构进行分层切片处理，切片层厚为50 μm；
2)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中放成形Ti6Al4V基板，并在粉料缸中导入高质量Ti6Al4V球形粉末，关闭腔体，向腔体中通入保护气体，同时开启除气系统，直到腔体中的氧含量降为0；
3)建立加工任务：设定铺粉厚度与步骤1)的切片层厚一致，设定激光成形的最优参数，加工之前对基板进行预热，预热温度为200℃，激光成形的最优参数是通过工艺优化实验获得，激光能量为200～300W，扫描速度为600～1000mm/s，光斑直径为 50～90μm，扫描间距为110～150μm；
4)选区激光熔化成形：准备工作完毕之后，开始成形加工，加工过程中采用的激光扫描策略为分区岛状扫描策略，扫描策略为初始激光扫描角度为53°，层与层之间的旋转增量为37°；系统将二维平面划分成多个岛状的小区域，当激光扫描完成一个小区域时，对成形边界进行勾边，一个区域成形完成后开始成形下一个岛状区域，直到整个二维平面成形完毕；成形缸向下移动至模型的下一分层，同时粉料缸向上移动同等距离，刮刀将粉末从粉料缸铺到成形缸，开始成形下一层，直至整个实体构件被加工完毕为止，获得钛合金仿生多功能热防护结构。
实施例2：一种仿生多功能热防护结构，结构的三维尺寸为20mm*20mm*17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高将热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm 的偏移量。小结构管的内径为1mm，外径为1.4mm，所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68 μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法与实施例1相同。
实施例3：一种仿生多功能热防护结构，结构的三维尺寸为20mm*20mm*17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高将热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm 的偏移量。小结构管的内径为1.5mm，外径为1.9mm，所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68 μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法与实施例1相同。
实施例4：一种仿生多功能热防护结构，结构的三维尺寸为20mm*20mm*17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高将热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm 的偏移量。小结构管的内径为2mm，外径为2.4mm，所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68 μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法与实施例1相同。
实施例1～4基于SLM成形的仿生多功能热防护结构的性能表征方法，具体步骤如下，
(1)对仿生多功能热防护结构进行隔防热性能研究，确定材料的热物性参数，采用ANSYS有限元分析软件对结构进行网格划分，通过参数的优化确定网格的尺寸大小，输入材料的热物性参数，对结构施加热载荷和相对应的边界条件，通过有限元分析软件求解计算热环境的作用下结构的隔防热性能，相关的热计算公式为：
[C(T)][T′]+[Kc(T)][T]＝[Q(T)]
T(x，0)＝T0＝307K
T(0，t)＝T1(t)；T(L，t)＝T2(t)
其中ρ，k，c，t，T分别表示材料的密度，热导率，比热，受热时间以及对应的温度，C，Kc，Q分别表示比热矩阵，热导率矩阵和节点热流矢量，T0，T1，T2分别表示结构的初始环境温度，上表面受热温度，下表面温度，qr，εs，σs分别表示辐射热通量，表面辐射率，斯特藩-玻尔兹曼常数，Tt，Ta分别表示上面板温度和底面环境温度。
(2)对仿生多功能热防护结构进行机械性能研究，通过实验测试获得SLM成形的Ti6Al4V力学性能参数，包括抗拉强度，弹性模量等参数，将材料参数输入到有限元分析软件LS-DYNA中，通过优化分析确定网格的大小，施加固定约束和压缩速度等边界条件，最后求解结构在压缩过程中的承载能力和能量吸收行为。
(3)对仿生多功能热防护结构进行隔防热性能研究，采用热成像仪对结构隔热吸能进行研究。
(4)结合压缩试验结果，确定了LS-DYNA计算结果的准确性，并且模拟与实验相结合进一步分析了构件失效的内部原因。
性能表征方法是采用LS-DYNA有限元分析技术，对仿生结构的机械性能进行研究，结合实验测试分析一方面验证了有限元分析的可靠性，同时提出了一种有限元预测方法，实现了对结构性能的预测及分析，可以有效地降低发明成本，提高发明效率。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种仿生多功能热防护结构，其特征在于，由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，用于与飞行器的连接；
功能层包括若干中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。
2.根据权利要求1所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
3.根据权利要求2所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量；所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。
4.根据权利要求3所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1mm，外径为1.4mm。
5.根据权利要求3所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1.5mm，外径为1.9mm。
6.根据权利要求3所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为2mm，外径为2.4mm。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
8.一种权利要求1～6任意一项所述的仿生多功能热防护结构的成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)模型设计及处理：构建结构的三维实体几何模型，并通过3D打印模型处理软件对结构进行分层切片处理，切片层厚为20～100μm；
2)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中放成形Ti6Al4V基板，并在粉料缸中导入高质量Ti6Al4V球形粉末，关闭腔体，向腔体中通入保护气体，同时开启除气系统，直到腔体中的氧含量降为0；
3)建立加工任务：设定铺粉厚度与步骤1)的切片层厚一致，设定激光成形的最优参数，加工之前对基板进行预热，预热温度为200℃；
4)选区激光熔化成形：准备工作完毕之后，开始成形加工，加工过程中采用的激光扫描策略为分区岛状扫描策略，系统将二维平面划分成多个岛状的小区域，当激光扫描完成一个小区域时，对成形边界进行勾边，一个区域成形完成后开始成形下一个岛状区域，直到整个二维平面成形完毕；成形缸向下移动至模型的下一分层，同时粉料缸向上移动同等距离，刮刀将粉末从粉料缸铺到成形缸，开始成形下一层，直至整个实体构件被加工完毕为止，获得钛合金仿生多功能热防护结构。
9.根据权利要求8所述的仿生多功能热防护结构的成形方法，其特征在于，步骤3)中激光成形的最优参数是通过工艺优化实验获得，激光能量为200～300W，扫描速度为600～1000mm/s，光斑直径为50～90μm，扫描间距为110～150μm。
10.根据权利要求8所述的仿生多功能热防护结构的成形方法，其特征在于，步骤4)中扫描策略为初始激光扫描角度为53°，层与层之间的旋转增量为37°。
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