CN112728297B - 一种基于増材制造提高隔热效果的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于増材制造相关技术领域，并公开了一种基于増材制造提高隔热效果的装置。该装置包括上下两块实心板和设置在两块板中间的呈阵列连接的多个八重桁架单胞结构，每个八重桁架点阵单胞结构通过BCC单胞和正八面单胞进行布尔并集运算所得，其中，所述BCC单胞作为外围结构，所述正八面单胞作为内部结构，所述BCC单胞的连接杆与所述正八面体的连接杆的直径比小于1。通过本发明，摒除传统的铸造成形等生产点阵结构零件，可生产高精度、表面质量优异的三维点阵结构零件，在承载外力时避免应力集中的出现，具备轻量化、开发周期短以及隔热效果好的优点。

Description

一种基于増材制造提高隔热效果的装置
技术领域
本发明属于増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于増材制造提高隔热效果的装置。
背景技术
随着科技的迅速发展，各行业对于性能的要求都在不断提高，如手机、计算机等电子设备的高速计算造成发热量迅速增加而造成的降频，影响使用效果，因此对散热要求日益增加。然而，在部分应用场景下，对隔热的需求也日渐凸显，如车载冷库、空间冷库由于储存的需求，对冷库墙的隔热效果不断提高，减少外界热量进入冷库中造成食品的腐败，提高存储时间；航空器表面由于与空气的摩擦造成发热损毁航空器，因此对航空器表面进行隔热处理成为主要话题。
科研工作者从结构和材料方面着手设计，如采用低传导系数的材料和设计空间结构。然而，开发低热传导系数的新型材料研发周期长，成本高。目前导弹仪器仓使用舱体外蒙皮上涂一层数毫米厚的发泡涂料，在常温下作为防腐蚀涂层，当气动加热达到200℃以上时，便均匀发泡而起隔热作用，可见空间结构在隔热方面的重要应用，点阵结构作为规律性的空间结构，具备轻量化、隔热均匀的优点；八重桁架结构作为一种弯曲变形为主的点阵结构，具备较高的比强度，但是传统八重桁架结构的应用均为均质八重桁架，具备内外连接杆直径比为1的特点，造成八重桁架结构具备较大的比表面积，促使隔热效果下降，因此有必要重新设计八重桁架结构保证较高的比强度同时还提高隔热效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于増材制造提高隔热效果的装置，通过采用外部BCC点阵结构和内部正八面体点阵结构连接杆直径比d1：d2＜1:1的八重桁架点阵结构，具备轻量化、开发周期短以及隔热效果好的优点。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，该装置包括上下两块实心板和设置在两块板中间的呈阵列连接的多个八重桁架单胞结构，每个八重桁架点阵单胞结构通过BCC单胞和正八面体单胞进行布尔并集运算所得，其中，所述BCC单胞作为外围结构，所述正八面体单胞作为内部结构，所述BCC单胞的连接杆与所述正八面体单胞的连接杆的直径比小于1。
进一步优选地，所述八重桁架单胞结构的相对密度为5％～15％。
进一步优选地，所述上下两块实心板的长度和宽度分别与所述呈阵列连接的多个八重桁架单胞结构的总长度和总宽度相等，所述上下两块实心板的高度为所述呈阵列连接的多个八重桁架单胞结构高度的
Figure GDA0003516998330000021
进一步优选地，所述装置的材料为ZrB2基体陶瓷材料或ZrO2基体陶瓷材料。
进一步优选地，所述装置采用选择性激光熔化成形。
进一步优选地，所述装置的隔热系数按照下列表达式计算获得：
Figure GDA0003516998330000022
其中，
Figure GDA0003516998330000023
为上实心板的最高温度，
Figure GDA0003516998330000024
为下实心板最高温度，ρs为所述装置的密度。
进一步优选地，所述装置在连接杆直径比小于1时的隔热系数相比；连接杆直径比等于1时候的隔热系数提高5％～15％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明采用外部BCC点阵结构和内部正八面体点阵结构连接杆直径比d1：d2＜1:1的八重桁架点阵结构形成的隔热装置，是由于传热源于热传导、热对流和热辐射，热传导主要取决于点阵结构的体积以及传导面的面积和形貌，比值小于1后点阵结构上表面和上实心板接触面积减小，传导至点阵结构的热量下降，促使热量通过实心板上表面散失到环境中；在实际应用中基于自然对流状态，不同比值下热对流对隔热效果的影响趋于一致，而热辐射主要取决于点阵结构的表面积，在比值小于1后，八重桁架的表面积减小，热辐射量减小，从而优化隔热效果；设置实心板是增加上板散热到外部环境中的表面积，同时保护点阵结构；
2.本发明中采用的八重桁架结构具备轻量化和高比强度，可以用于飞机起落架、机翼等，同时，由于内部孔隙的存在，实现隔热效果的同时还可以作为支撑结构，可用于制作高温隔热砖，航空器内表面隔热网等；
3.本发明中八重桁架是以弯曲变形为主的点阵结构，承载能力相比拉伸为主的点阵结构强，所选用的隔热装置的材料，相比金属具备导热系数低，隔热效果好的优点，利用增材制造一体化成形，摒除传统的铸造成形等生产点阵结构零件，因此可生产高精度、表面质量优异的三维点阵结构零件，在承载外力时避免应力集中的出现。
附图说明
图1是按照本发明实施例说明的八重桁架单胞的组合过程；
图2是按照本发明实施例所构建的外部BCC单胞和内部正八面体单胞连接杆直径为1:4条件下的八重桁架单胞；
图3是按照本发明实施例所构建的八重桁架中不同的BCC单胞连接杆和内部正八面体单胞连接杆直径比的隔热系数比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种基于增材制造提高隔热效果的装置，首先设计出八重桁架点阵结构，沿着z轴方向在八重桁架点阵结构顶部和底部添加实心板，形成三维点阵结构零件模型，通过增材制造加工出点阵结构，改变内部结构和外部结构连接杆的直径比提高隔热效果。
如图2所示，八重桁架单胞，由外围BCC单胞和内部正八面体单胞组成，其中外围体心立方(BCC)单胞连接杆和内部正八面体单胞连接杆的直径比值小于1，本实施例中d1：d2＝1：4。
八重桁架点阵结构，由八重桁架单胞周期性排列而得，八重桁架单胞结构的相对密度为5％～15％，本实施例中，重桁架单胞具备的相对密度为15％。
沿着z轴方向在八重桁架点阵结构顶部和底部添加实心板，实心板的长度、宽度与点阵结构的长度、宽度一致，高度为点阵结构高度的1/10。
形成三维点阵结构零件模型，顶部和底部的实心板与点阵结构进行“布尔并集”操作，形成一个“域”。
下面结合具体实施例进一步说明本发明。
利用三维绘图软件Solidworks 2018绘制出尺寸为5mm×5mm×5mm八重桁架单胞，本实例采用相对密度为15％的八重桁架单胞，其中，八重桁架外部BCC单胞和内部正八面体单胞的连接杆直径比为1：4，沿x，y，z三个方向分别阵列4，1，1个，最终形成的三维点阵结构具备20mm×5mm×5mm的尺寸。
沿着z轴方向在点阵结构的上方和下方分别创建的20×5×0.5mm的立方体，即上板、下板，并采用“布尔并集”操作将立方体和点阵结构形成一个整体，形成点阵结构零件，促使点阵结构具备隔热特性外还可承载较大外力。
采用切片软件对三维点阵结构零件进行切片处理，将分层切片stl文件输出并将信息导入到设备的控制软件中。利用ZrB2材料通过SLM成形三维点阵结构零件。
本发明可通过仿真得到结构的隔热效果。采用Comsol Multiphysics 5.4有限元仿真分析隔热效果。
进入Comsol Multiphysics 5.4有限元仿真软件中，在“定义”界面选择“三维”，在模型开发器内“几何”界面上选择导入，导入三维点阵结构。
在模型开发器下的“全局定义”界面上选择“插值函数”，“函数名称”默认为“int1”，在“t”表格从上至下依次输入为0，200，400，600，800，在“f(t)”表格从上至下依次输入为0，10，10，0，0；在“单位”界面下“变元”设定为“s”，“函数”设定为“KW/m2”。
在“材料”界面下选择空材料。
在“物理场”界面下选择“固体传热”和“表面对表面辐射”传热过程中改变内外结构直径比后存在着热传导和热辐射量的变化。
其中瞬时热传导公式为：
Figure GDA0003516998330000051
其中，c为比热容，Ks为热传导系数，T为温度，t为时间，q为外界输入热源，x,y和z分别代表卡迪尔坐标系中X,Y和Z方向的坐标。
热辐射表示为：
Figure GDA0003516998330000052
其中，qrad为热辐射量，ε为热辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，Ta表示环境温度，Tu为辐射体温度。
“固体传热”内“固体1”界面下导热系数、密度、恒压热容均选择“用户定义”，且分别输入2W/(m·K)，5600Kg/m3，490J(Kg·K)，以上参数代表ZrB2陶瓷材料；在几何模型器内“固体传热”界面上选择“边界热源”，“边界热源”界面上选择“广义源”，并数值上填写“int1(t)”，其中，所选边界为三维点阵结构上班的上表面。即对点阵结构上板上表面施加200s的线性变化边界热源，在200s时抵达10KW，200s～400s之内保持该边界热源，400s～600s边界热源下降线性，在600s边界热源消失。所述“表面对表面辐射”界面下“环境温度”设定为293.15K，“边界选择”定义为“全部”，“辐射方向”选择不透明度控制，“散射辐照度”定义为0，“表面辐射率”切换至用户定义，并设置为0.35；基于该点阵结构应用条件下具备自然对流换热的条件，产生的热量交换很小，可以忽略，因此在实际应用中还是热传导和热辐射导致的换热。
“多物理场”界面下选择表面对表面辐射传热，“默认不透明度”设定为来自传热接口。
在“网格”界面中“序列类型”选择“物理场控制网格”，“单元大小”设定为“细化”。
在“研究”界面选择“一般研究”下的“瞬态研究”，“瞬态研究”界面下“时间单位”定义为“s”，“时间步”定义为(0，0.01，800)，即每0.01s输出一个仿真结果，如此重复，直至输出800s结束该次仿真。点击“计算”即可开始进行有限元仿真运算。
在“结果”界面上选择“特征值”，在特征值展开选项下选择“表面最大值”，分别选择三维点阵结构零件上表面和下表面，即可得到上板最大温度和下板最大温度。
隔热效果可以通过隔热系数
Figure GDA0003516998330000064
表示，并可通过下式定量得出：
Figure GDA0003516998330000061
其中，
Figure GDA0003516998330000062
为为上实心板的最高温度，
Figure GDA0003516998330000063
为下实心板最高温度，ρs为八重桁架单胞的密度。
上述的方法，最终得到具备外部BCC单胞和内部正八面体单胞连接杆直径比为1：1至1:4的点阵结构零件的隔热系数。如图3所示。其中外部BCC单胞和内部正八面体单胞连接杆直径比为1：1的点阵结构零件隔热系数为120.81K/(g·cm3)，而直径比为1：4的点阵结构隔热系数可达129.4665K/(g·cm3)，提高了9.46％。
本发明中具体隔热实施效果采用有限元仿真进行隔热计算，采用的材料参数为ZrB2陶瓷材料本身具备的参数。是热学计算中考虑到热传导和热辐射，模拟环境与实验环境近似一致。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，该装置包括上下两块实心板和设置在两块板中间的呈阵列连接的多个八重桁架单胞结构，每个八重桁架点阵单胞结构通过BCC单胞和正八面体单胞进行布尔并集运算所得，其中，所述BCC单胞作为外围结构，所述正八面体单胞作为内部结构，所述BCC单胞的连接杆与所述正八面体单胞的连接杆的直径比小于1。
2.如权利要求1所述的一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，所述八重桁架单胞结构的相对密度为5％～15％。
3.如权利要求1所述的一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，所述上下两块实心板的长度和宽度分别与所述呈阵列连接的多个八重桁架单胞结构的总长度和总宽度相等，所述上下两块实心板的高度为所述呈阵列连接的多个八重桁架单胞结构高度的
Figure FDA0003516998320000011
4.如权利要求1所述的一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，所述装置的材料为ZrB2基体陶瓷材料或ZrO2基体陶瓷材料。
5.如权利要求1所述的一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，所述装置采用选择性激光熔化成形。
6.如权利要求1所述的一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，所述装置的隔热系数按照下列表达式计算获得：
Figure FDA0003516998320000012
其中，
Figure FDA0003516998320000013
为上实心板的最高温度，
Figure FDA0003516998320000014
为下实心板最高温度，ρs为所述装置的密度。
7.如权利要求1所述的一种基于増材制造提高隔热效果的装置，其特征在于，所述装置的连接杆的直径比小于1的隔热系数相比连接杆直径比为1:1时提高9.46％。
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