CN114187982A - 共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装装置及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共焦椭圆核壳结构的全方向热‑电伪装装置及其设计方法。该装置包括各向异性共焦椭圆核壳结构以及外面的背景基质,共焦椭圆核区域代表了伪装区域,共焦椭圆壳区域代表了伪装装置,背景基质的介质具有各向异性的材料参数,在不同热流和电流方向下,背景基质区域的各向异性的包括热导率和电导率在内的材料参数和各向异性共焦椭圆核壳结构的包括热导率和电导率在内的各向异性等效参数相同,进而能够消除物体在不同方向的热流和电流作用下产生的散射,从而在不扰动外部温度场和电场分布的情况下,实现全方位的伪装功能。
Description
技术领域
本发明属于超材料技术领域,涉及一种共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装装置及其设计方法。
背景技术
超材料是为了实现某些独特的功能而设计的新型结构材料,其能够实现一些普通材料所不具备的物理场控制功能,例如:隐身功能,聚集功能,伪装功能,探测功能等等。因此,他们被广泛的应用,用以控制电磁场,声场,热场,光场等物理场。随着研究的进一步深入,相较于只具有单一物理场控制功能的超材料,能够同时控制多物理场的超材料在实际应用中更值得期待。以此便可以用同一个设备装置来同时控制多个物理场,从而实现多个物理场的控制功能,这有助于实现该装置的高效利用,节约资源。
目前针对热电双场伪装装置的研究局限于各向同性的圆形结构,并没有考虑由几何各向异性所带来的全方向热电伪装的难点和挑战。然而,根据实际的应用领域,伪装装置的几何形状却并不局限于圆形,各向异性的几何形状例如共焦椭圆、菱形、矩形等已经被应用于其他特定环境下的功能装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够同时适用于热场和电场的全方向伪装装置及其设计方法。不管热流和电流的方向如何变化,该装置都能够消除物体引起的散射,使它们在热电双场中变得不可见,从而在没有扰动外部温度场和电场分布的情况下,达到伪装的目的,来避免被相关探测设备发现。热电双场伪装装置在航空航天等相关技术领域具有潜在的应用价值。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种基于各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装装置的设计方法,所述基于各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装装置由内而外分为第一区域、第二区域和第三区域;第一区域用于实现伪装,其呈现各向异性椭圆形,第二区域为伪装装置,其呈现空心的各项异性椭圆形,第一区域和第二区域组成各向异性共焦椭圆核壳结构,第一区域和第二区域内的介质采用各向同性材料;第三区域为用于实现全方向热-电伪装功能的背景基质,第三区域内的介质具有各向异性的材料参数,在不同热流和电流方向下,第三区域的各向异性的包括热导率和电导率在内的材料参数和各向异性共焦椭圆核壳结构的包括热导率和电导率在内的各向异性等效参数相同,进而使得无论外部温度梯度和电势梯度的方向如何改变,第一区域中的物体都不会扰动第三区域中的温度场和电场分布。
优选的,第三区域的各向异性的材料参数通过由各向同性材料制成的复合结构来实现。
优选的,复合结构是由基体材料和具有不同孔径的圆形夹杂材料组成。
优选的,复合结构的制备方法如下:
首先采用等效介质理论,将具有各向异性热导率和电导率的第三区域结构化为层状交替排列的多层结构,其中每一层的材料参数是各向同性且任意的;进一步针对每一层结构采用单粒子结构法,将其化为由基体和圆形夹杂物组成的新结构,基体和圆形夹杂物的材料是工业生产中已有的各向同性材料。优选的,多层结构中,将奇数层任意的热导率定义为κ1,电导率定义为σ1,偶数层任意的热导率定义为κ2,电导率定义为σ2,奇数层和偶数层层状结构的基体部分的热导率分别为κ基体1,κ基体2,电导率分别为σ基体1,σ基体2,奇数层和偶数层层状结构的圆形夹杂物部分的热导率分别为κ圆夹1,κ圆夹2,电导率分别为σ圆夹1,σ圆夹2,应满足:κ基体1(κ圆夹1)<κ1<κ圆夹1(κ基体1), σ基体1(σ圆夹1)<σ1<σ圆夹1(σ基体1),κ基体2(κ圆夹2)<κ2<κ圆夹2(κ基体2),σ基体2(σ圆夹2)<σ2<σ圆夹2 (σ基体2)。
本发明中,第二区域的几何参数通过参数优化的方法获取,优化控制条件为:通过设计优化该区域的几何参数使得将来在温度场下所求解的第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数和在电场下所求解的第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数相等,即要求第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数同时适用于热电双场。
本发明还提供一种根据上述设计方法得到的全方向热-电伪装装置。
本发明首先基于中性夹杂的理论,在充分考虑了共焦椭圆的几何各向异性后,理论求解出在不同热流和电流方向下的共焦椭圆核壳结构的各向异性等效参数(热导率和电导率)。然后,背景基质的材料参数需要和推导出的共焦椭圆核壳结构的等效材料参数保持一致,即背景基质的热导率和电导率需要设置为各向异性的参数,以满足热场和电场中的全方向伪装功能。此外,为了进一步满足实际的工程应用,本发明基于有效介质理论和单粒子结构方法,用普通材料构建一种新型复合结构来实现各向异性的背景基质,该复合结构不仅要体现出原背景基质特殊的各向异性材料特性,且需要便于制造。与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明的热-电伪装装置具有各向异性的几何形状,且同时适用于任何方向的温度场和电场。目前有关热电伪装方面的研究主要聚集在圆形核壳结构,此种结构具有各向同性的几何形状,因此无需考虑温度场和电场的方向。但是对于各向异性的几何形状,便需要充分考虑装置的几何各向异性。在此基础上求出实现全方向伪装所需的材料参数。本发明能够实现基于各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装功能,即当热流和电流沿着任意的方向传递时,该具有各向异性几何形状的伪装装置都能实现热电伪装功能。同时本发明的热电伪装装置在实现伪装功能时,不会扰动背景环境的温度场和电场分布。本发明将热电伪装装置的几何形状从各向同性的圆形拓展到了各向异性的共焦椭圆,且实现了全方向的热电伪装功能,在航空航天等技术领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热电伪装装置的几何区域分布图。
图中标号:1代表椭圆核,2代表椭圆壳,3代表背景基质。其中椭圆核的热导率为κc电导率为σc,长短半轴几何尺寸为lc1和lc2。椭圆壳的热导率为κs电导率为σs,长短半轴几何尺寸为ls1和ls2。背景基质的热导率为κb电导率为σb。
图2为各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热电伪装装置的结构示意图。
图3为实施例1的各向异性共焦椭圆伪装装置和对照组在归一化的水平和垂直温度梯度方向下的温度场仿真结果分布图。
图4为实施例1的各向异性共焦椭圆伪装装置和对照组在归一化的水平和垂直电势梯度方向下的电场仿真结果分布图。
图5为复合结构的具体制备流程图。
图6为基于复合结构的共焦椭圆核壳结构的全方向热电伪装装置实验工件图和对照组的实验工件图。
图7为实施例2的各向异性共焦椭圆伪装装置和对照组在归一化的水平和垂直温度梯度方向下的温度场实验结果分布图。
图8为实施例2的各向异性共焦椭圆伪装装置和对照组在归一化的水平和垂直电势梯度方向下的电场实验结果分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1为本发明各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热电伪装装置的几何区域分布图。温度梯度和电势梯度都进行了归一化处理。图1中,1代表椭圆核,即第一区域,2代表椭圆壳,即第二区域,3代表背景基质,即第三区域。其中椭圆核的热导率为κc电导率为σc,长短半轴几何尺寸为lc1和lc2。椭圆壳的热导率为κs电导率为σs,长短半轴几何尺寸为ls1和ls2。背景基质的热导率为κb电导率为σb。
图2为各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热电伪装装置的结构示意图。其中,第三区域的背景基质的材料参数通过由各向同性材料制成的复合结构来实现,复合结构是由基体材料和具有不同孔径的圆形夹杂材料组成。复合结构构建的相关流程示意图见图5,具体如下:
首先采用等效介质理论,将具有各向异性热导率和电导率(即图5(a)中的热导率和电导率矩阵)的第三区域结构化为层状交替排列的多层结构,其中每一层的材料参数是各向同性且任意的,不易于工程的实现(奇数层的热导率为κ1电导率为σ1;偶数层的热导率为κ2电导率为σ2)。我们进一步针对每一层结构采用单粒子结构法,将其化为由基体和圆形夹杂物组成的新结构,且基体和圆形夹杂物的材料是常见的各向同性普通材料。需要注意的是奇数层和偶数层层状结构的基体部分 (κ基体1,κ基体2,σ基体1,σ基体2)和圆形夹杂物部分(κ圆夹1,κ圆夹2,σ圆夹1,σ圆夹2)的材料参数可以是任意的,但是需要满足κ基体1(κ圆夹1)<κ1<κ圆夹1(κ基体1),σ基体1(σ圆夹1)<σ1< σ圆夹1(σ基体1),κ基体2(κ圆夹2)<κ2<κ圆夹2(κ基体2),σ基体2(σ圆夹2)<σ2<σ圆夹2(σ基体2)。奇数层和偶数层中的圆形夹杂物具有不同的孔径几何尺寸。
本发明中,对伪装装置材料以及几何参数选用设定的方法如下:
一、材料参数
首先第一区域是实现伪装的区域,该区域的材料参数需要根据实际的应用需求来选择,可以是任意的。第二区域是伪装装置,该区域的材料选取也是任意的,例如可以选取不锈钢,铜,铝合金,镁合金等。第三区域的复合结构奇数层和偶数层的基体材料和圆形夹杂物材料选取也是任意的。考虑到不同材料拼接界面处可能存在的电阻,所以本发明复合结构奇数层和偶数层的基体材料选取和第二区域保持一致,但其从原理上是任意的。第三区域的复合结构奇数层和偶数层的圆形夹杂物和第一区域选取为空气来简化工件制备流程节约成本。
二、几何参数
第一区域的几何参数需要根据实际应用的需求来设计,可以是任意的。第二区域的几何参数需要通过参数优化的方法获取。优化控制条件为:通过设计优化该区域的几何参数使得将来在温度场下所求解的第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数和在电场下所求解的第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数相等,即要求第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数需要同时适用于热电双场。第三区域的奇数层和偶数层基体的宽度相等,根据已知的外边长,所分的层数越多越精确。第三区域的奇数层和偶数层圆形夹杂物的几何尺寸需要由各向异性的背景基质、奇数层和偶数层基体的宽度、奇数层和偶数层基体和圆形夹杂物的材料共同决定,即当已知这些参数时,便可以求解出奇数层和偶数层对应的圆形夹杂物的几何尺寸,该尺寸是同时适用于热电双场。
接下来将分别基于各向异性的背景基质和复合结构来对该热电伪装装置进行实例分析。
实施例1
将共焦椭圆核壳结构置于各向异性的背景基质中,其中第一区域和第二区域的材料取为空气和6061铝合金,分别施加水平和垂直两个方向的归一化的温度梯度和电势梯度,同时设立对照组(即将没有椭圆壳包覆的空气核置于各向异性的背景基质中),以此来对比验证该伪装装置的全方向热电伪装功能。相应的温度场和电场有限元仿真结果见图3和图4。分析可知:在没有伪装装置的对照组中,无论温度梯度是水平施加或垂直施加,空气核都引起了外部背景基质中的温度场扰动[见图 3(a1),3(a2)],当空气核被伪装装置包覆时,外部的温度场扰动便自动消除[见图3(b1), 3(b2)]。电场的模拟结果呈现出相同的变化趋势,即伪装装置的存在能够消除背景基质中的电场扰动,使背景基质中的等电势线重新变得笔直[见图4(b1),4(b2)]。这样便实现了共焦椭圆伪装装置在热电双场中的全方向伪装。
该实施例不涉及到复合结构如何设计,但是背景各向异性的材料参数仍然需要和理论推导的共焦椭圆核壳结构在不同热流电流方向下的等效各向异性热导率和电导率保持一致。这是中性夹杂的设计理念。
实施例2
将共焦椭圆核壳结构置于复合结构中,其中第一区域和第二区域的材料取为空气和6061铝合金,图6为基于复合结构的共焦椭圆核壳结构的全方向热电伪装装置实验工件图[图6(b)]以及对照组[图6(a)]的实验工件图。其中,复合结构是由36 层交替排列的层状结构组成,每一层层状结构的基体部分采用6061铝合金,其孔洞部分仍为空气,不同孔洞的孔径几何尺寸需要根据各向异性的背景基质和层状结构每一层的宽度来确定。水平和垂直方向的温度和电势边界条件以及对照组的设置和实例1保持一致。相应的温度场和电场实验结果见图7和图8。分析可知:温度场和电场的实验结果呈现出相同的变化趋势。即在没有伪装装置的对照组中,无论温度和电势梯度的方向如何变化,空气核都会引起外部复合结构中的温度场[见图 7(a1),7(a2)]和电场[见图8(a1),8(a2)]的扰动,当空气核被伪装装置包覆时,复合结构中的温度场[见图7(b1),7(b2)]和电场[见图8(b1),8(b2)]的扰动便会消失,此时的等温线和等电势线重新变得笔直。这样便通过复合结构从实验层面实现了共焦椭圆伪装装置在热电双场中的全方向伪装。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装装置的设计方法,其特征在于,所述基于各向异性共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装装置由内而外分为第一区域、第二区域和第三区域;第一区域用于实现伪装,其呈现各向异性椭圆形,第二区域为伪装装置,其呈现空心的各向异性椭圆形,第一区域和第二区域组成各向异性共焦椭圆核壳结构,第一区域和第二区域内的介质采用各向同性材料;第三区域为用于实现全方向热-电伪装功能的背景基质,第三区域内的介质具有各向异性的材料参数,在不同热流和电流方向下,第三区域的各向异性的包括热导率和电导率在内的材料参数和各向异性共焦椭圆核壳结构中的包括热导率和电导率在内的各向异性等效参数相同,进而使得无论外部温度梯度和电势梯度的方向如何改变,第一区域中的物体都不会扰动第三区域中的温度场和电场分布。
2.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于,第三区域的各向异性的材料参数通过由各向同性材料制成的复合结构来实现。
3.根据权利要求2所述的设计方法,其特征在于,复合结构是由基体材料和具有不同孔径的圆形夹杂材料组成。
4.根据权利要求3所述的设计方法,其特征在于,复合结构的制备方法如下:
首先采用等效介质理论,将具有各向异性热导率和电导率的第三区域结构化为层状交替排列的多层结构,其中每一层的材料参数是各向同性且任意的;进一步针对每一层结构采用单粒子结构法,将其化为由基体和圆形夹杂物组成的新结构,基体和圆形夹杂物的材料是工业生产中已有的各向同性材料。
5.根据权利要求4所述的设计方法,其特征在于,多层结构中,将奇数层任意的热导率定义为κ1,电导率定义为σ1,偶数层任意的热导率定义为κ2,电导率定义为σ2,奇数层和偶数层层状结构的基体部分的热导率分别为κ基体1,κ基体2,电导率分别为σ基体1,σ基体2,奇数层和偶数层层状结构的圆形夹杂物部分的热导率分别为κ圆夹1,κ圆夹2,电导率分别为σ圆夹1,σ圆夹2,应满足:κ基体1(κ圆夹1)<κ1<κ圆夹1(κ基体1),σ基体1(σ圆夹1)<σ1<σ圆夹1(σ基体1),κ基体2(κ圆夹2)<κ2<κ圆夹2(κ基体2),σ基体2(σ圆夹2)<σ2<σ圆夹2(σ基体2)。
6.根据权利要求2所述的设计方法,其特征在于,第二区域的几何参数通过参数优化的方法获取,优化控制条件为:通过设计优化该区域的几何参数使得将来在温度场下所求解的第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数和在电场下所求解的第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数相等,即要求第三区域奇偶层圆形夹杂物几何参数同时适用于热电双场。
7.一种根据权利要求1-6之一所述的设计方法得到的全方向热-电伪装装置。
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CN202111568568.XA CN114187982A (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 共焦椭圆核壳结构的全方向热-电伪装装置及其设计方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115241652A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-10-25 | 复旦大学 | 一种适用于全方向的热电双场幻象防护系统及其应用 |
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2021
- 2021-12-21 CN CN202111568568.XA patent/CN114187982A/zh active Pending
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