CN117637076A - 一种tpms梯度多孔复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多孔材料技术领域，具体公开了一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，包括：S1、结构类型选择，S2、梯度设计，S3、生成模型，S4、有限元体网格划分和S5、结构优化设计；本发明基于隐式曲面方程控制三维结构形状的变化，开展TPMS多孔结构的参数化设计，通过有限元仿真和力学实验等手段，研究隐式曲面多孔结构的力学行为和传热性能，获得满足一定力热承载性能的结构形式，为功能梯度多孔结构的可控性构建奠定理论基础；基于优化分析，进行隐式曲面梯度变化的多样性多孔结构设计，实现同一构件不同空间位置的孔隙率、弹性模量和屈服强度等连续性变化，以期为新一代热防护结构设计提供新的研究方向，为材料设计制备提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于多孔材料技术领域，具体涉及一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法。
背景技术
多孔结构是一种具有天然优势的仿生结构，包含大量的孔隙构造，具有相对密度低、比表面积高、渗透性好、轻量化等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、材料化学、医疗等工程领域。而在这其中，开孔多孔结构的孔隙是连通的，应用范围更为广泛。常见多孔结构有晶格结构、蜂窝结构、极小曲面等。其中三周期极小曲面，也就是TPMS(TriplyPeriodic Minimal Surfaces)结构近年来受到越来越多学者和高校的关注。三周期极小曲面具有几何形状多样、较高比表面积、孔隙全连通、参数可控、准自支撑等优势，因此广泛应用于吸能结构、骨支架建模等。
增材制造(Additive Manufacturing，AM)，即3D打印，是一种以三维数字模型作为基础，运用金属或非金属材料，通过逐层打印的方式来构造零件的一种特种加工技术。作为一种快速且精确的零部件加工方法，在航空航天、汽车、医疗、模具、建筑等领域都有所应用。
梯度材料(Gradient material)的发展为多功能一体化成型设计提供了条件和可能。梯度材料最早的设计目标是解决陶瓷和金属之间热膨胀失配导致的热应力问题。这种材料中组分呈连续变化，不存在明显的界面，相应的热力学性能和物理性能也呈梯度变化规律。通过设计理想的功能梯度复合材料及结构，最大程度的缓解高温下热失配问题，从而实现高效防隔热与承载一体化成型。
为了适应不同应用场景需求，需要对多孔材料的结构进行设计。国内外研究者们对多孔结构的设计方法不断进行优化。对于单胞类型和尺寸等参数如何进行优化设计以适应不同的加工条件和应用场景，还没有体系化的方法。
在公开号为CN108096639A的中国专利中，提到了一种梯度多孔材料，其中多孔材料的梯度按照该梯度多孔材料本体中孔的孔径大小分级的，所述梯度多孔材料为以最小梯度级的多孔材料为原材料，制出孔径更大的孔所形成的多孔材料，构成梯度多孔材料的各梯度级多孔材料的孔是相互贯通的。该种结构的梯度多孔材料，不同梯度级的多孔材料具有相同的最小级多孔材料结构单元，大大减小了不同梯度间相连接界面影响，保证了梯度多孔材料的性能的实现，尽管上述方案有益效果诸多，但是该方案中所适应的应用场景需求存在局限性，对于单胞类型和尺寸等参数如何进行优化设计以适应不同的加工条件和应用场景，没有具体的体系化方法，此外现有技术对该类结构的构建不能同时依托想要满足的孔隙率(密度)、力学性能、热学性能来进行参数化建模，综合性能(梯度)变化也没有系统化数据揭示。
对此，发明人提出一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，包括以下步骤：
S1、结构类型选择，根据设计工况进行结构类型选择(承载、散热、隔热)，改变输入三周期极小曲面TPMS的表达式来调整结构，改变孔隙率；
S2、梯度设计，进行TPMS结构单方向晶胞尺寸梯度变化、双方向晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化建模工作，选择性能优于均匀分布结构的方式，使用遗传算法优化晶胞尺寸梯度变化；
S3、生成模型，采用建模软件对三周期极小曲面进行建模，结构类型包括片状结构(sheet TPMS)和实体结构(solid TPMS)；
S4、有限元体网格划分，将STL模型导入Hypermesh进行有限元体网格划分，导出模型inp文件；
S5、结构优化设计，将模型inp文件导入仿真软件Abaqus，设置边界条件并进行压缩、导热有限元分析，完成连续梯度三周期极小曲面力热性能的结构优化设计。
优选的，所述三周期极小曲面隐式表达式为：
S曲面：φ(r)＝cos(X)+cos(Y)+cos(Z)＝C
G曲面：φ(r)＝sin(X)cos(Y)+sin(Z)cos(X)+sin(Y)cos(Z)＝C
D曲面：φ(r)＝cos(X)cos(Y)cos(Z)-sin(X)sin(Y)sin(Z)＝C
I-WP曲面：
优选的，晶胞尺寸a随着空间位置x的变化而变化，所述晶胞尺寸梯度变化如下：
a(x)＝a0+Δa·x
其中a0是初始的晶胞尺寸，Δa是梯度的系数，x是空间位置。
优选的，所述壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化为：
a(x)＝a0+Δa1·x
t(x)＝t0+Δt1·x
其中，t0是初始的壁厚，Δt是梯度的系数，x是空间位置。
优选的，目标最小化材料的热导率为：
其中f(x)表示目标函数，x是设计变量，a(x)和t(x)分别表示晶胞尺寸梯度函数和融合梯度函数。
优选的，所述遗传算法具体为：
染色体表示，将设计变量表示为染色体，包括Δa、Δt、Δa1和Δt1；
适应度函数，使用目标函数的倒数，将目标问题的性能指标作为输入，并返回一个适应度值，即：
初始化种群，随机生产一组初始解作为种群；
遗传算子操作，进行选择、交叉和变异操作，计算每个个体的适应度，根据适应度值，替换种群中的一部分个体，通过多次迭代，检查直到满足终止条件为止。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过使用遗传算法来优化晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化的问题，将梯度参数作为染色体的基因，利用设计的适应度函数来评估每个个体的性能，通过不断迭代优化，尝试不同的组合，最终找到一个较优的解，便于优化晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化，满足性能目标需求。
(2)本发明基于隐式曲面方程控制三维结构形状的变化，开展TPMS多孔结构的参数化设计，通过有限元仿真和力学实验等手段，研究隐式曲面多孔结构的力学行为和传热性能，获得满足一定力热承载性能的结构形式，为功能梯度多孔结构的可控性构建奠定理论基础；基于优化分析，进行隐式曲面梯度变化的多样性多孔结构设计，实现同一构件不同空间位置的孔隙率、弹性模量和屈服强度等连续性变化，以期为新一代热防护结构设计提供新的研究方向，为材料设计制备提供理论依据。
附图说明
图1为本发明的一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法流程图；
图2为本发明的孔隙率均为0.5的S曲面构型图；
图3为本发明的孔隙率均为0.5的G曲面构型图；
图4为本发明的孔隙率均为0.5的D曲面构型图；
图5为本发明的孔隙率均为0.5的I-WP曲面构型图；
图6为本发明的TPMS结构单方向晶胞尺寸梯度变化图；
图7为本发明的TPMS结构双方向晶胞尺寸梯度变化图；
图8为本发明的TPMS结构壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1至图8所示，一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，包括以下步骤：
S1、结构类型选择，根据设计工况进行结构类型选择(承载、散热、隔热)，改变输入三周期极小曲面TPMS的表达式来调整结构，改变孔隙率；
S2、梯度设计，进行TPMS结构单方向晶胞尺寸梯度变化、双方向晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化建模工作，选择性能优于均匀分布结构的方式，使用遗传算法优化晶胞尺寸梯度变化；
S3、生成模型，采用建模软件对三周期极小曲面进行建模，其中三周期极小曲面建模所用的软件选自nTopology或MSLattice，结构类型包括片状结构(sheet TPMS)和实体结构(solid TPMS)；
S4、有限元体网格划分，将STL模型导入Hypermesh进行有限元体网格划分，导出模型inp文件；
S5、结构优化设计，将模型inp文件导入仿真软件Abaqus，设置边界条件并进行压缩、导热有限元分析，完成连续梯度三周期极小曲面力热性能的结构优化设计。
具体的，所述三周期极小曲面隐式表达式为：
S曲面：φ(r)＝cos(X)+cos(Y)+cos(Z)＝C
G曲面：φ(r)＝sin(X)cos(Y)+sin(Z)cos(X)+sin(Y)cos(Z)＝C
D曲面：φ(r)＝cos(X)cos(Y)cos(Z)-sin(X)sin(Y)sin(Z)＝C
I-WP曲面：
具体的，晶胞尺寸a随着空间位置x的变化而变化，所述晶胞尺寸梯度变化如下：
a(x)＝a0+Δa·x
其中a0是初始的晶胞尺寸，Δa是梯度的系数，x是空间位置。
具体的，所述壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化为：
a(x)＝a0+Δa1·x
t(x)＝t0+Δt1·x
其中，t0是初始的壁厚，Δt是梯度的系数，x是空间位置。
具体的，目标最小化材料的热导率为：
其中f(x)表示目标函数，x是设计变量，a(x)和t(x)分别表示晶胞尺寸梯度函数和融合梯度函数。
由上可知，基于隐式曲面方程控制三维结构形状的变化，开展TPMS多孔结构的参数化设计，通过有限元仿真和力学实验等手段，研究隐式曲面多孔结构的力学行为和传热性能，获得满足一定力热承载性能的结构形式，为功能梯度多孔结构的可控性构建奠定理论基础；
基于优化分析，进行隐式曲面梯度变化的多样性多孔结构设计，实现同一构件不同空间位置的孔隙率、弹性模量和屈服强度等连续性变化，以期为新一代热防护结构设计提供新的研究方向，为材料设计制备提供理论依据。
实施例二：
参考图1至图5所示，一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，包括以下步骤：
S1、结构类型选择，根据设计工况进行结构类型选择(承载、散热、隔热)，改变输入三周期极小曲面TPMS的表达式来调整结构，改变孔隙率；
S2、梯度设计，进行TPMS结构单方向晶胞尺寸梯度变化、双方向晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化建模工作，选择性能优于均匀分布结构的方式，使用遗传算法优化晶胞尺寸梯度变化；
S3、生成模型，采用建模软件对三周期极小曲面进行建模，其中三周期极小曲面建模所用的软件选自nTopology或MSLattice，结构类型包括片状结构(sheet TPMS)和实体结构(solid TPMS)；
S4、有限元体网格划分，将STL模型导入Hypermesh进行有限元体网格划分，导出模型inp文件；
S5、结构优化设计，将模型inp文件导入仿真软件Abaqus，设置边界条件并进行压缩、导热有限元分析，完成连续梯度三周期极小曲面力热性能的结构优化设计。
为了优化晶胞尺寸梯度变化，采用遗传算法实现如下：
染色体表示，将设计变量表示为染色体，包括Δa、Δt、Δa1和Δt1；
适应度函数，使用目标函数的倒数，将目标问题的性能指标作为输入，并返回一个适应度值，即：
初始化种群，随机生产一组初始解作为种群；
遗传算子操作，进行选择、交叉和变异操作，计算每个个体的适应度，根据适应度值，替换种群中的一部分个体，通过多次迭代，检查直到满足终止条件为止；
选择：使用轮盘赌选择或其他选择算法，选择适应度较高的个体；
交叉：对选定的个体进行交叉操作，生成新的个体；
变异：对某些个体进行变异操作，引入随机性。
由上可知，通过使用遗传算法来优化晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化的问题，将梯度参数作为染色体的基因，利用设计的适应度函数来评估每个个体的性能，通过不断迭代优化，尝试不同的组合，最终找到一个较优的解，便于优化晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化，满足性能目标需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、结构类型选择，根据设计工况进行结构类型选择(承载、散热、隔热)，改变输入三周期极小曲面TPMS的表达式来调整结构，改变孔隙率；
S2、梯度设计，进行TPMS结构单方向晶胞尺寸梯度变化、双方向晶胞尺寸梯度变化、壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化建模工作，选择性能优于均匀分布结构的方式，使用遗传算法优化晶胞尺寸梯度变化；
S3、生成模型，采用建模软件对三周期极小曲面进行建模，结构类型包括片状结构(sheet TPMS)和实体结构(sol id TPMS)；
S4、有限元体网格划分，将STL模型导入Hypermesh进行有限元体网格划分，导出模型inp文件；
S5、结构优化设计，将模型inp文件导入仿真软件Abaqus，设置边界条件并进行压缩、导热有限元分析，完成连续梯度三周期极小曲面力热性能的结构优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，其特征在于：所述三周期极小曲面隐式表达式为：
S曲面：φ(r)＝cos(X)+cos(Y)+cos(Z)＝C
G曲面：φ(r)＝sin(X)cos(Y)+sin(Z)cos(X)+sin(Y)cos(Z)＝C
D曲面：φ(r)＝cos(X)cos(Y)cos(Z)-sin(X)sin(Y)sin(Z)＝C
I-WP曲面：
3.根据权利要求1所述的一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，其特征在于：晶胞尺寸a随着空间位置x的变化而变化，所述晶胞尺寸梯度变化如下：
a(x)＝a0+Δa·x
其中a0是初始的晶胞尺寸，Δa是梯度的系数，x是空间位置。
4.根据权利要求3所述的一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，其特征在于：所述壁厚和晶胞尺寸融合梯度变化为：
a(x)＝a0+Δa1·x
t(x)＝t0+Δt1·x
其中，t0是初始的壁厚，Δt是梯度的系数，x是空间位置。
5.根据权利要求4所述的一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，其特征在于：目标最小化材料的热导率为：
其中f(x)表示目标函数，x是设计变量，a(x)和t(x)分别表示晶胞尺寸梯度函数和融合梯度函数。
6.根据权利要求5所述的一种TPMS梯度多孔复合材料制备方法，其特征在于：所述遗传算法具体为：
染色体表示，将设计变量表示为染色体，包括Δa、Δt、Δa1和Δt1；
适应度函数，使用目标函数的倒数，将目标问题的性能指标作为输入，并返回一个适应度值，即：
初始化种群，随机生产一组初始解作为种群；
遗传算子操作，进行选择、交叉和变异操作，计算每个个体的适应度，根据适应度值，替换种群中的一部分个体，通过多次迭代，检查直到满足终止条件为止。
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| CN117928287A (zh) * | 2024-03-18 | 2024-04-26 | 大连理工大学 | 基于Schwartz Diamond型杆状三周期极小曲面优化结构的换热器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117928287A (zh) * | 2024-03-18 | 2024-04-26 | 大连理工大学 | 基于Schwartz Diamond型杆状三周期极小曲面优化结构的换热器 |
| CN117928287B (zh) * | 2024-03-18 | 2024-05-17 | 大连理工大学 | 基于Schwartz Diamond型杆状三周期极小曲面优化结构的换热器 |
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