CN116013442A - 一种防热材料设计方法、装置、设备及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了防热材料设计技术领域内的一种防热材料设计方法、装置、设备及可读存储介质。本申请能够选择多种类型的单胞构建防热材料，还在材料设计过程中控制了材料热性能以及其重量，并且还兼顾了承重要求和加工要求，能够在设计过程中控制材料热传递路径、材料重量、加工难度和复杂度，降低了防热材料结构的冗余。相应地，本申请提供的一种防热材料设计装置、设备及可读存储介质，也同样具有上述技术效果。

Description

一种防热材料设计方法、装置、设备及可读存储介质

技术领域

本申请涉及防热材料设计技术领域，特别涉及一种防热材料设计方法、装置、设备及可读存储介质。

背景技术

目前，在设计新型材料时，需要考虑孔隙非均匀分布而引发的非均匀温度应力问题，当前借助3D打印技术可以有效降低由于孔隙分布的非均匀而产生的热应力问题。但是，3D打印技术基于单一类型的孔隙单胞结构进行材料设计，不能在设计过程中控制材料热性能以及其重量。

因此，如何在材料设计过程中控制材料热性能以及其重量，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种防热材料设计方法、装置、设备及可读存储介质，以在材料设计过程中控制材料热性能以及其重量。其具体方案如下：

第一方面，本申请提供了一种防热材料设计方法，包括：

确定当前待设计的防热材料的应用环境；

根据所述应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定所述热性能设计系数的目标取值；

基于所述目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建所述防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构；

通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数；

若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则基于所选的各单胞结构构建所述防热材料。

可选地，所述根据所述应用环境确定热性能设计系数，包括：

若所述应用环境为温度瞬态变化环境，则确定所述热性能设计系数为等效热扩散系数；

若所述应用环境为温度稳态变化环境，则确定所述热性能设计系数为等效导热系数。

可选地，所述基于所述目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建所述防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构，包括：

若选择两种单胞结构，则基于所述目标取值和所述承重设计目标，在所述多种单胞结构中选择第一单胞结构；

根据所述第一单胞结构的孔隙率和所述重量设计目标计算最小可选孔隙率；

查询热性能设计系数与孔隙率的变化关系图，以在所述目标取值下，从多种单胞结构中选择孔隙率不小于所述最小可选孔隙率的第二单胞结构。

可选地，所述变化关系图基于热性能设计系数与孔隙率之间的拟合公式生成。

可选地，所述多种单胞结构包括：规则单胞结构和随机夹杂型单胞结构。

可选地，所述随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数的确定过程包括：

在所述随机夹杂型单胞结构的左侧和右侧施加定温边界条件，在所述随机夹杂型单胞结构的上侧和下侧施加绝热边界条件，以计算所述随机夹杂型单胞结构的温度分布；

基于所述温度分布确定所述随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数。

可选地，还包括：

若所选的各单胞结构中存在不符合所述铺设要求的单胞结构，则保留所选的各单胞结构中符合所述铺设要求的单胞结构，并基于所述目标取值、所述重量设计目标和所述承重设计目标在所述多种单胞结构中重新选择单胞结构，以替换所选的各单胞结构中不符合所述铺设要求的单胞结构。

第二方面，本申请提供了一种防热材料设计装置，包括：

应用环境确定模块，用于确定当前待设计的防热材料的应用环境；

热性能设计目标确定模块，用于根据所述应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定所述热性能设计系数的目标取值；

单胞结构选择模块，用于基于所述目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建所述防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构；

铺设层数确定模块，用于通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数；

材料构建模块，用于若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则基于所选的各单胞结构构建所述防热材料。

第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的防热材料设计方法。

第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的防热材料设计方法。

通过以上方案可知，本申请提供了一种防热材料设计方法，包括：确定当前待设计的防热材料的应用环境；根据所述应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定所述热性能设计系数的目标取值；基于所述目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建所述防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构；通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数；若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则基于所选的各单胞结构构建所述防热材料。

可见，本申请能够根据当前待设计的防热材料的应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定热性能设计系数的目标取值，由此可以控制材料热性能；之后基于目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构，由此可以控制材料的重量和承重大小，使材料符合轻质量要求和承重要求；后续通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数，由此可确定所选单胞结构的加工难度和复杂度；若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则说明所选单胞结构的加工难度和复杂度均符合相关要求，因此基于所选的各单胞结构构建防热材料。可见，本申请能够选择多种类型的单胞构建防热材料，还在材料设计过程中控制了材料热性能以及其重量，并且还兼顾了承重要求和加工要求，能够在设计过程中控制材料热传递路径、材料重量、加工难度和复杂度，实现了防热材料内的温度和质量控制，降低了防热材料结构的冗余。

相应地，本申请提供的一种防热材料设计装置、设备及可读存储介质，也同样具有上述技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种防热材料设计方法流程图；

图2为本申请公开的串联型单胞结构和并联型单胞结构的等效热扩散系数与其孔隙率的变化关系示意图；

图3为本申请公开的串联型单胞结构和并联型单胞结构的等效导热系数与其孔隙率的变化关系示意图；

图4为本申请公开的一种串联型单胞结构和并联型单胞结构的示意图；

图5为本申请公开的一种材料中不同单胞的布局示意图；

图6为本申请公开的一种开尔文单胞结构示意图；

图7为本申请公开的一种开尔文单胞的等效导热系数计算示意图；

图8为本申请公开的开尔文单胞的等效导热系数和等效热扩散系数与其孔隙率的变化关系示意图；

图9为本申请公开的另一种防热材料设计方法流程图；

图10为本申请公开的各类型单胞的等效导热系数和等效热扩散系数与其孔隙率的变化关系示意图；

图11为本申请公开的一种防热材料设计装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，在设计新型材料时，需要考虑孔隙非均匀分布而引发的非均匀温度应力问题，当前借助3D打印技术可以有效降低由于孔隙分布的非均匀而产生的热应力问题。但是，3D打印技术基于单一类型的孔隙单胞结构进行材料设计，不能在设计过程中控制材料热性能以及其重量。为此，本申请提供了一种防热材料设计方案，能够在材料设计过程中控制材料热性能以及其重量。

参见图1所示，本申请实施例公开了一种防热材料设计方法，包括：

S101、确定当前待设计的防热材料的应用环境。

S102、根据应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定热性能设计系数的目标取值。

在本实施例中，防热材料可以应用在温度瞬态变化的强瞬态环境，也可以应用在温度稳定变化的稳定环境，基于其应用环境中温度变化情况的不同，可以选择等效热扩散系数或等效导热系数作为热性能设计系数。在一种具体实施方式中，根据应用环境确定热性能设计系数，包括：若应用环境为温度瞬态变化环境，则确定热性能设计系数为等效热扩散系数；若应用环境为温度稳态变化环境，则确定热性能设计系数为等效导热系数。

在确定热性能设计系数后，可以根据热性能设计目标确定其取值。例如：当前热性能设计目标为：想要防热材料的等效热扩散系数取值为10，那么目标取值即为10。可见，热性能设计目标也参照防热材料的应用环境进行设定，且其中设有相关系数的目标取值，此目标取值即为当前设计的热性能设计目标。目标取值可以是一个定值，也可以是一个取值区间。

S103、基于目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构。

需要说明的是，在等效热扩散系数或等效导热系数取一个定值后，各种单胞结构在该定值下有对应的孔隙率，也即：针对每种单胞结构，都可以构建等效热扩散系数或等效导热系数与该单胞结构孔隙率的对应关系，该关系可以在热性能设计系数与孔隙率的变化关系图中呈现。请参照图2，针对串联型单胞结构和并联型单胞结构，其等效热扩散系数与相应单胞结构的孔隙率的对应关系呈下降曲线。在图2中，设计区间与等效热扩散系数的取值区间以及单胞结构孔隙率的取值对应。如图2所示，在确定等效热扩散系数的取值后，在该取值下，不同单胞结构对应有相应的孔隙率取值。相应的，串联型单胞结构和并联型单胞结构的等效导热系数与相应单胞结构的孔隙率的对应关系请参见图3。在图3中，设计区间与等效导热系数的取值区间以及单胞结构孔隙率的取值对应。

其中，串联型单胞结构和并联型单胞结构请参照图4。在图4所示串联型单胞结构中， k _s 为固体区域的导热系数， k _a 为空气区域的导热系数， dy为空气区域的宽度， L _x 减 a等于空气区域的长度， L _y 减 a再减 dy等于固体区域的宽度， a为结构壁厚。 L _x 为该结构的外边界长度， L _y 为该结构的外边界宽度。

图4所示串联型单胞结构的孔隙率 ε计算公式为：。在图4所示并联型单胞结构中， k _s 为固体区域的导热系数， k _a 为空气区域的导热系数， dy为空气区域的宽度， L _y 减 a等于空气区域或固体区域的长度， L _x 减 a再减 dy等于固体区域的宽度， a为结构壁厚。 L _x 为该结构的外边界长度， L _y 为该结构的外边界宽度。通过图4中的灰度和空白能够看出：固体材料在空气中的形状和布局。如图4上方的串联型结构，灰度表示固体材料部分，空白表示空气部分，并且由此可看出：固体材料在空气中的形状和布局；图4下方的并联型结构同理。

结合等效热扩散系数或等效导热系数的取值、材料的重量设计目标和承重设计目标，可以适应性选择至少两种单胞结构来满足这些条件，从而使得最终设计得到的材料有相应的热防护性能，还满足质量和承重要求。当然，也可以选择一种单胞结构来构建防热材料，这样能使材料的孔隙均匀分布，使材料有均匀的防热性能，但这样就无法控制材料的质量大小了。本实施例选择多种单胞结构来构建防热材料，不仅可以使材料有相对均匀的防热性能，还能控制材料的质量大小，同时还兼顾了材料的承重要求和加工要求。

假设现有的某一防热材料A以单一的三角形单胞结构构建得到，但该防热材料质量较大，并且在应用场景中需要承受一定的重量。此时可以结合该防热材料的承重部位设计新材料。请参照图5，如果防热材料A中的区域1用于承重，而防热材料A中的区域2无需承重，那么在设计新材料时，就可以只更改区域2。如图5所示，将区域2中的三角形单胞结构替换为孔隙率更大、且与三角形单胞结构具备相同耐热性能的圆形单胞结构。如此一来，整个防热材料的质量就能降低，而且还不影响其承重要求和防热性能。

针对图5所示的新材料进行实验验证发现，三角形单胞结构的孔隙率取0.18，铺设2层；圆形单胞的孔隙率取0.3，铺设3层，那么相比于原来以单一三角形单胞构建防热材料，可实现减重12%。

当然，也可以不保留区域1的三角形单胞结构，选出满足承重要求、重量要求和防热性能的两种单胞结构来重新构建防热材料A。在不考虑设计以及加工复杂度时，还可以选择更多种单胞结构来构建满足承重要求、重量要求和防热性能的新材料，因此S103可以选择至少两种单胞结构。需要说明的是，所选的单胞结构种类越多，设计得到满足承重要求、重量要求和防热性能的新材料的难度越大。

在一种具体实施方式中，基于目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构，包括：若选择两种单胞结构，则基于目标取值和承重设计目标，在多种单胞结构中选择第一单胞结构；根据第一单胞结构的孔隙率和重量设计目标计算最小可选孔隙率；查询热性能设计系数与孔隙率的变化关系图，以在所述目标取值下，从多种单胞结构中选择孔隙率不小于所述最小可选孔隙率的第二单胞结构。这里可以参照图5，如果第一单胞结构为图5中的三角形单胞结构，那么在选择第二单胞结构时，可以在承重设计目标的约束下计算得到最小可选孔隙率。若重量设计目标为：减重4%，那么可以对三角形单胞结构在目标取值下的孔隙率X增大4%，得到1.4X，那么在目标取值下孔隙率最小为1.4X的单胞结构即为可选的第二单胞结构。由于在目标取值下，孔隙率越大的单胞结构越轻，因此在目标取值限定的防热性能下，可以尽可能选择孔隙率大的单胞结构作为第二单胞结构。如果在目标取值限定的防热性能下，没有孔隙率等于或大于1.4X的第二单胞结构，说明选定的第一单胞结构无法与其他单胞结构实现材料减重要求，那么可以重新选择第一单胞结构，并按照上述原理为新选的第一单胞结构重新选择能满足减重要求的第二单胞结构。因此在多种单胞结构中不存在孔隙率不小于最小可选孔隙率的第二单胞结构时，执行基于目标取值和承重设计目标，在多种单胞结构中选择第一单胞结构；根据第一单胞结构的孔隙率和重量设计目标计算最小可选孔隙率；查询热性能设计系数与孔隙率的变化关系图，以在所述目标取值下，从多种单胞结构中选择孔隙率不小于所述最小可选孔隙率的第二单胞结构步骤，以重新选择满足目标取值、重量设计目标和承重设计目标的第一单胞结构和第二单胞结构。

在一种具体实施方式中，变化关系图基于热性能设计系数与孔隙率之间的拟合公式生成。当前热性能设计系数为等效导热系数时，等效导热系数与孔隙率之间的拟合公式为： k _eff =(1- ε)^{3 n/2}× k _s + ε ^{3 n/2}× k _a ，其中， k _eff 为等效导热系数， k _s 为固体的导热系数， ε为孔隙率， k _a 为空气的导热系数， n为不同单胞结构的形状因子。例如：球形单胞结构的形状因子 n=1，三角形单胞结构的形状因子 n=1.35；五边形单胞结构的形状因子 n=1.12，圆形单胞结构的形状因子 n=1.01。

同一单胞结构的等效导热系数和等效热扩散系数存在如下关系： α _eff  = k _eff  /( ρ _eff ×c _eff )，其中， α _eff 为等效热扩散系数， k _eff 为等效导热系数， ρ _eff  =(1- ε)× ρ _s + ε× ρ _a ， c _eff =(1- ε)× c _s + ε× c _a ， ρ _s 为固体密度， ρ _a 为空气密度， c _s 为固体比热容， c _a 为空气比热容。因此，基于上述所示同一单胞结构的等效导热系数和等效热扩散系数的关系公式，也可用公式拟合等效热扩散系数与孔隙率之间的关系，从而得到等效热扩散系数与孔隙率之间的拟合公式。基于等效热扩散系数与孔隙率之间的拟合公式可得到等效热扩散系数与孔隙率的变化关系图，而基于等效导热系数与孔隙率之间的拟合公式可得到等效导热系数与孔隙率的变化关系图。变化关系图可参照图2和图3所示的曲线示意图。

在一种具体实施方式中，多种单胞结构包括：规则单胞结构和随机夹杂型单胞结构。其中，规则单胞结构可以是：球形单胞结构、三角形单胞结构、五边形单胞结构、圆形单胞结构、串联型单胞结构、并联型单胞结构、复杂的开尔文单胞结构等。

其中，随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数的确定过程包括：在随机夹杂型单胞结构的左侧和右侧施加定温边界条件，在随机夹杂型单胞结构的上侧和下侧施加绝热边界条件，以计算随机夹杂型单胞结构的温度分布；基于温度分布确定随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数。

其中，复杂的开尔文单胞结构一般用于构建泡沫类隔热材料，其等效导热系数需要利用更多参数进行计算。具体的，开尔文单胞结构可参见图6，基于图6示意的开尔文单胞，其等效导热系数的计算公式为：。请参照图7，图7基于图6所示单胞结构确定，，，，，，，，。 a为节点边长， r为骨架直径， e=r/L， d=a/L， k _s 为固体的导热系数， k _a 为空气的导热系数。其中，开尔文单胞的等效导热系数和等效热扩散系数与其孔隙率的变化关系如图8所示。

S104、通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数。

S105、若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则基于所选的各单胞结构构建防热材料。

一般地，铺设层数取值为整数，整数层铺设有利于后续材料加工。在铺设层数取值为非整数时，材料加工难度较大。因此在某一单胞结构的铺设层数取值为非整数时，认为该单胞结构的铺设层数不符合铺设要求；在某一单胞结构的铺设层数取值为整数时，认为该单胞结构的铺设层数符合铺设要求。由于S103选择了至少两种单胞结构，因此需要分别确定每种单胞结构的铺设层数，在所选单胞结构的铺设层数都符合铺设要求时，才认为基于所选单胞结构可以构建得到新的防热材料；否则，对其中不符合铺设要求的单胞结构进行替换。

在一种具体实施方式中，若所选的各单胞结构中存在不符合铺设要求的单胞结构，则保留所选的各单胞结构中符合铺设要求的单胞结构，并基于目标取值、重量设计目标和承重设计目标在多种单胞结构中重新选择单胞结构，以替换所选的各单胞结构中不符合铺设要求的单胞结构。

其中，在保持某一单胞结构的孔隙率不变的情况下，通过调整该单胞结构的孔隙大小以及长宽尺寸，可以实现其孔隙个数以及铺设区域层数的调整。因此通过某一单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，可以确定该单胞结构的铺设层数。

需要说明的是，在基于所选的各单胞结构构建得到防热材料后，可评估该防热材料的耐热温度，得到防热材料的在宏观、细观的耐热温度分布，据此耐热温度分布可进一步分析当前所构建的新材料的耐热性能。

可见，本实施例能够基于热性能设计系数的目标取值选择多种类型的单胞来构建防热材料，并且能够控制材料的重量和承重大小，使所设计材料符合轻质量要求和承重要求；确定所选单胞结构的加工难度和复杂度。因此本实施例在材料设计过程中控制了材料热性能以及其重量，并且还兼顾了承重要求和加工要求，能够在设计过程中控制材料热传递路径、材料重量、加工难度和复杂度，实现了防热材料内的温度和质量控制，降低了防热材料结构的冗余。

下述实施例针对本申请提供的方案做进一步的详细介绍。请参见图9，本实施例的实现步骤可参照如下详细过程。

1、针对每种单胞类型，其确定等效导热系数和等效热扩散系数随其孔隙率大小的变化曲线。

其中，针对规则的单胞类型，其孔隙率大小与其等效导热系数的关系用公式 k _eff =(1- ε)^{3 n/2}× k _s + ε ^{3 n/2}× k _a 就可以表示，因此基于此公式可以计算规则单胞类型在不同孔隙率取值下的等效导热系数，从而得到相应的变化曲线图。而单胞的等效导热系数与其等效热扩散系数存在关系 α _eff  = k _eff  /( ρ _eff ×c _eff )，故据此关系也可确定各单胞类型在不同孔隙率取值下的等效热扩散系数，从而得到相应的变化曲线图。

而针对非规则的单胞类型，需要在单胞左侧、右侧施加定温边界条件，在其上侧、下侧施加绝热边界条件，来计算其等效导热系数和等效热扩散系数，而后再依据 k _eff =(1- ε)^{3 n/2}× k _s + ε ^{3 n/2}× k _a 、 α _eff  = k _eff  /( ρ _eff ×c _eff )等公式得到相应的变化曲线图。例如：针对随机夹杂单胞，在其左侧、右侧施加定温边界条件，在其上侧、下侧施加绝热边界条件，通过数值计算获得其全场温度分布，通过公式计算其左侧边界热流 q，通过公式计算其等效导热系数 k _eff 。

在一种示例中，各种类型的单胞的等效导热系数和等效热扩散系数与其孔隙率的变化关系如图10所示。

2、基于当前所设计的防热结构的服役环境选择 α _eff 或 k _eff 作为热性能设计目标下的热性能设计系数；在热性能设计目标的限制下，为 α _eff 或 k _eff 赋予相应取值，然后在前述确定的变化曲线中确定 α _eff 或 k _eff 的取值，在相同取值的 α _eff 或 k _eff 下，基于孔隙率大小选择满足减重要求的单胞类型。

其中，若当前所设计的防热结构用于强瞬态服役环境，则选择 α _eff 作为热性能设计目标下的热性能设计系数；若当前所设计防热结构用于稳定服役环境，则选择 k _eff 作为热性能设计目标下的热性能设计系数。

请参照图5，本实施例以图5为例，将图5中区域2中原有的三角形单胞更改为另一种单胞。此时先行确定：图5中区域1中仍采用三角形单胞，那么在 α _eff 或 k _eff 的取值Q下，可确定三角形单胞的孔隙率取值P。如果当前重要设计目标为：减重p%，那么计算（1+p%）×P，之后基于此计算结果在图10或图8中找：在 α _eff 或 k _eff 的取值Q下，不小于孔隙率（1+p%）×P的单胞类型。此时可发现：圆形单胞符合该条件，那么将图5区域2中的三角形单胞结构替换为圆形单胞。当然，可能有多种单胞都符合上述条件，此时优先选择孔隙率最大的单胞类型。如此一来，整个防热材料的质量就能降低，而且还不影响其防热性能。

3、通过调整所选单胞的孔隙大小以及长宽尺寸，确定所选单胞是否能满足铺设要求；在满足铺设要求时，构建新材料并计算其热响应；否则，重新选择满足减重要求和铺设要求的单胞。

其中，根据构建新材料所用的单胞类型和尺寸对材料进行网格划分，并施加材料的应用环境热载荷，可完成结构热响应的计算。基于热响应的计算结果可进一步分析当前所构建的新材料的耐热性能。

可见，本实施例建立了不同类型的单胞的不同孔隙率与其等效导热系数、等效热传导系数的关系曲线，并在设定的热性能设计目标下，基于孔隙率大小选择符合减重要求的单胞类型进行新材料构建，能够实现热防护结构的传热路径控制以及减重控制，可以降低防热结构的防热设计耗时，主动实现防热结构的耐热温度控制和重量控制，减小热防护结构冗余。

其中，耐热材料的设计还需考虑其承重要求、制备工艺的限制，因此在本实施例的基础上，还可以将承重要求和制备工艺添加为新材料的设计目标，那么在设计过程中，就可以综合考虑材料的承重要求、制备工艺、重要要求以及耐热要求等诸多设计目标，选择多种单胞来构建新材料，使材料有相对均匀的防热性能、控制材料质量大小，同时兼顾材料的承重要求和加工要求。

下面对本申请实施例提供的一种防热材料设计装置进行介绍，下文描述的一种防热材料设计装置与上文描述的一种防热材料设计方法可以相互参照。

参见图11所示，本申请实施例公开了一种防热材料设计装置，包括：

应用环境确定模块1101，用于确定当前待设计的防热材料的应用环境；

热性能设计目标确定模块1102，用于根据应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定热性能设计系数的目标取值；

单胞结构选择模块1103，用于基于目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构；

铺设层数确定模块1104，用于通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数；

材料构建模块1105，用于若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则基于所选的各单胞结构构建防热材料。

在一种具体实施方式中，热性能设计目标确定模块具体用于：

若应用环境为温度瞬态变化环境，则确定热性能设计系数为等效热扩散系数；若应用环境为温度稳态变化环境，则确定热性能设计系数为等效导热系数。

在一种具体实施方式中，单胞结构选择模块具体用于：

若选择两种单胞结构，则基于目标取值和承重设计目标，在多种单胞结构中选择第一单胞结构；

根据第一单胞结构的孔隙率和重量设计目标计算最小可选孔隙率；

查询热性能设计系数与孔隙率的变化关系图，以在所述目标取值下，从多种单胞结构中选择孔隙率不小于所述最小可选孔隙率的第二单胞结构。

在一种具体实施方式中，变化关系图基于热性能设计系数与孔隙率之间的拟合公式生成。

在一种具体实施方式中，多种单胞结构包括：规则单胞结构和随机夹杂型单胞结构。

在一种具体实施方式中，随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数的确定过程包括：在随机夹杂型单胞结构的左侧和右侧施加定温边界条件，在随机夹杂型单胞结构的上侧和下侧施加绝热边界条件，以计算随机夹杂型单胞结构的温度分布；基于温度分布确定随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数。

在一种具体实施方式中，还包括：

重新选择模块，用于若所选的各单胞结构中存在不符合铺设要求的单胞结构，则保留所选的各单胞结构中符合铺设要求的单胞结构，并基于目标取值、重量设计目标和承重设计目标在多种单胞结构中重新选择单胞结构，以替换所选的各单胞结构中不符合铺设要求的单胞结构。

其中，关于本实施例中各个模块、单元更加具体的工作过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

可见，本实施例提供了一种防热材料设计装置，能够在材料设计过程中控制材料热性能以及其重量。

下面对本申请实施例提供的一种电子设备进行介绍，下文描述的一种电子设备与上文描述的一种防热材料设计方法及装置可以相互参照。

本申请实施例公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现上述任意实施例公开的方法。

下面对本申请实施例提供的一种可读存储介质进行介绍，下文描述的一种可读存储介质与上文描述的一种防热材料设计方法、装置及设备可以相互参照。

一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述实施例公开的防热材料设计方法。关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本申请涉及的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的可读存储介质中。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种防热材料设计方法，其特征在于，包括：

确定当前待设计的防热材料的应用环境；

根据所述应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定所述热性能设计系数的目标取值；

基于所述目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建所述防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构；

通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数；

若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则基于所选的各单胞结构构建所述防热材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述应用环境确定热性能设计系数，包括：

若所述应用环境为温度瞬态变化环境，则确定所述热性能设计系数为等效热扩散系数；

若所述应用环境为温度稳态变化环境，则确定所述热性能设计系数为等效导热系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建所述防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构，包括：

若选择两种单胞结构，则基于所述目标取值和所述承重设计目标，在所述多种单胞结构中选择第一单胞结构；

根据所述第一单胞结构的孔隙率和所述重量设计目标计算最小可选孔隙率；

查询热性能设计系数与孔隙率的变化关系图，以在所述目标取值下，从多种单胞结构中选择孔隙率不小于所述最小可选孔隙率的第二单胞结构。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述变化关系图基于热性能设计系数与孔隙率之间的拟合公式生成。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多种单胞结构包括：规则单胞结构和随机夹杂型单胞结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数的确定过程包括：

在所述随机夹杂型单胞结构的左侧和右侧施加定温边界条件，在所述随机夹杂型单胞结构的上侧和下侧施加绝热边界条件，以计算所述随机夹杂型单胞结构的温度分布；

基于所述温度分布确定所述随机夹杂型单胞结构的热性能设计系数。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

若所选的各单胞结构中存在不符合所述铺设要求的单胞结构，则保留所选的各单胞结构中符合所述铺设要求的单胞结构，并基于所述目标取值、所述重量设计目标和所述承重设计目标在所述多种单胞结构中重新选择单胞结构，以替换所选的各单胞结构中不符合所述铺设要求的单胞结构。

8.一种防热材料设计装置，其特征在于，包括：

应用环境确定模块，用于确定当前待设计的防热材料的应用环境；

热性能设计目标确定模块，用于根据所述应用环境确定热性能设计系数，并根据预设的热性能设计目标确定所述热性能设计系数的目标取值；

单胞结构选择模块，用于基于所述目标取值、预设的重量设计目标和预设的承重设计目标，在用于构建所述防热材料的多种单胞结构中选择至少两种单胞结构；

铺设层数确定模块，用于通过调整所选的每种单胞结构的孔隙大小和长宽尺寸，确定所选的每种单胞结构的铺设层数；

材料构建模块，用于若所选的每种单胞结构的铺设层数均符合铺设要求，则基于所选的各单胞结构构建所述防热材料。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的方法。

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