金属蜂窝材料换热性能分析快速数值算法

由于存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度 , 金属蜂窝材料在具有良好的比刚度和比强度的同时也具有良好的散热性能 , 研究强迫对流下的散热性能对其多功能化设计具有重要意义。蜂窝材料强迫对流换热是流2固耦合传热问题 , 由于具有大量微结构 , 直接采用计算流体动力学(CFD)方法进行模拟 , 计算量巨大 , 成为进行优化设计的主要障碍。发展具有广泛适用性的高效快速算法具有重要的理论意义和应用价值。针对金属蜂窝强迫对流换热结构 , 本文中提出了一种快速高效的数值算法 , 计算速度比有限体积法提高3～4个数量级。通过2个具体算例 , 验证了该方法的有效性和广泛适用性。      

对流换热边界条件的多孔材料主动散热性能

通过推导2种不同换热边界条件下平板夹层多孔材料的散热指标, 研究了考虑对流换热因素的平板夹层多孔材料主动散热性能, 得到了影响材料散热性能的因素。分析了在确定的相对厚度下, 不同构型多孔材料的相对密度与散热指标的关系, 并得出正六边形构型的散热指数最大。随着相对厚度的增大, 最大散热指标和最优相对密度增大较快, 当相对厚度大于20时, 最大散热指标和最优相对密度变化较小并最终趋于定值。由上述结果可以得到相对应的最小质量, 随着最小质量的增大, 最大散热指标增大并最终趋于定值。在相同的最大散热指标下, 随着表面换热系数比值的增大, 最小质量逐渐减小。最后考虑承载因素对结构进行了优化分析, 正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。      

轻质多孔材料与结构研究的最新进展(英文)

大力推进材料和装备的轻量化、减量化是实现节能减排、加快建设节约型社会的关键措施,是新世纪工程科技的发展方向。大至海洋平台、大飞机机身和动车组车体,再到日常生活中的车辆,乃至小电子散热器件等,轻量化和多功能化均成为其发展中重要一环。围绕相关特殊工况应用条件下的轻质材料与结构的设计和研究面临一系列挑战:质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔振、隔声性能可调等多功能要求,因此如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料科学、固体力学、传热、声学、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战。基于本课题组近5年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了国内超轻多孔材料与结构最新发展水平的研究成果,总结了具有特定或多功能化应用的这类新型轻质多孔材料多学科交叉研究的进展,包括材料制备,力学、热学和声学特性,以及无损检测及优化设计等。     

正交各向异性蜂窝材料多功能优化设计

以矩形蜂窝为例 , 介绍了正交各向异性蜂窝填充的夹层蜂窝结构散热性能和散热2承载性能优化设计 ,给出了正交各向异性蜂窝相关系数的推导过程。从实际应用出发 , 针对常规以性能乘积形式构造的散热2承载性能指标对散热性能侧重程度的不足 , 给出了基于 2种双层规划模型的非确定性设计方法 , 得到了旨在强调散热性能设计意图的散热2承载多目标优化问题的有效解集。这种方法对结构敏感参数较多的正交各向异性蜂窝填充结构的多功能优化设计非常有效。最后讨论了不同尺寸效应下的蜂窝最优结构参数。     

宏观结构性能约束下的材料微结构拓扑优化

为了设计周期性多孔钢或钢/铝复合材料优化微结构,基于独立连续映射法,建立了以结构总质量最小化为目标,节点位移为约束的拓扑优化模型。假设宏观结构由多孔材料或复合材料组成,其等效特性采用均匀化理论计算得到。定义了微观材料拓扑变量,节点位移约束采用一阶泰勒展开近似。各种材料设计要求作为约束条件纳入到优化模型中。推导了节点位移和总质量的敏度表达式。采用基于求解偏微分的过滤方法消除了数值不稳定性。在二维数值算例中获得了各种满足设计要求的优化材料微结构。结果表明:提出的方法在材料微结构拓扑优化设计中具有可行性和有效性。      

基于烟囱效应的域控制器散热器结构优化

为了满足域控制器各芯片散热需求及散热器轻量化设计要求,依据烟囱效应,设计了一种自然对流散热方案。通过单因素控制变量法,探究了翅片厚度、翅片间距、翅片高度和烟囱高度对散热性能的影响及其规律。结果表明:散热器中引入烟囱效应可以显著提升翅片进风口处的气流速度,从而改善自然散热效果。同时还可以减少散热器的质量,降低材料成本。在此基础上,采用中心复合设计方法构建响应面进行多目标优化设计,得到烟囱式散热器最优参数。     

煤基富氧多孔炭纳米片的制备及其超级电容器性能

多孔炭电极的表面改性与优化是实现超级电容器优异性能的关键。本文以煤化学工业的固体副产物为碳源，利用二维层状双氢氧化物(MgAl-LDH)的刚性约束作用耦合KOH活化工艺成功制备了二维富氧多孔炭纳米材料(OPCN)。系统研究了炭化温度对OPCN样品微观结构和表面特性的影响，通过SEM、TEM、氮气吸脱附测试以及元素分析等表征手段对炭材料的结构/组成和表面特性进行分析表明，经700°C炭化获得的炭材料样品(OPCN-700)具有较高的氧质量分数(24.4%)和大的比表面积(2 388 m² g^-1)，并表现出良好的润湿性。同时，OPCN-700样品丰富的微孔和二维纳米片结构为电解质离子提供了有效的储存和传输途径。作为超级电容器的电极材料，在电流密度为0.5 A g-1时，其比电容高达382 F g^-1，并呈现出优异的倍率性能和循环稳定性。该技术策略为富氧原子掺杂二维多孔炭材料的可控制备与水系储能器件的设计构建提供了新思路。     

孔隙形状及孔隙率对多孔材料弹性性能的影响

利用通用单胞法(GMC)计算了不同孔隙形状及孔隙率对多孔材料等效弹性参数的影响,计算中分别采用二维方形、圆形孔隙模型和三维立方体、球形孔隙模型模拟多孔材料。不同孔隙率下等效弹性参数的计算结果表明: 不同孔隙形状下,多孔材料等效弹性参数随孔隙率增大的退化程度不同;通过对比二维简化模型与三维模型的差异,发现二维简化模型对多孔材料等效弹性参数的估算值偏低。进一步将GMC计算结果和已有文献实验结果进行比较,发现两者具有较高的吻合度。最后将GMC模型与有限元、经验模型进行对比,得出GMC模型的局限性。综合计算结果,GMC具有一定的计算精度,可应用于工程实际分析中。     

菱形十二面体闭孔多孔材料表征量特性研究

依据孔穴形成原理建立了描述多孔材料的闭孔粗棱菱形十二面体几何模型。给出了相对密度对微结构的依赖性及归一化关系;对相对弹性模量、泊松比进行了模拟计算,分析了微结构、相对密度对其的影响规律。结果显示,单胞壁厚是多孔材料相对密度增量的次要影响因素,壁面连接曲率半径是主要影响因素;壁面和壁面相交处增加固体对弹性模量的影响效果相同。研究结果可为多孔材料的参数设计提供理论依据。     

活化剂对氮掺杂多孔碳/硫复合正极材料电化学性能的影响

以葡萄糖为碳源、乙酰胺为氮源、氢氧化钾(KOH)为活化剂,通过水热碳化及烧结处理,制备了氮掺杂多孔碳材料,将其与硫进行复合得到多孔碳/硫复合正极材料,考察了不同质量活化剂对多孔碳材料比表面积、孔容孔径及多孔碳/硫复合正极材料电化学性能的影响。结果表明:多孔碳前驱体与活化剂质量比为1∶4时制备的多孔碳材料具有最大的比表面积和孔隙率,且该材料与硫复合得到的多孔碳/硫复合正极材料具有最优的电化学性能、较高的放电比容量和良好的循环性能。     

Emerging 2D Materials Produced via Electrochemistry

2D materials are important building blocks for the upcoming generation of nanostructured electronics and multifunctional devices due to their distinct chemical and physical characteristics. To this end, large-scale production of 2D materials with high purity or with specific functionalities represents a key to advancing fundamental studies as well as industrial applications. Among the state-of-the-art synthetic protocols, electrochemical exfoliation of layered materials is a very promising approach that offers high yield, great efficiency, low cost, simple instrumentation, and excellent up-scalability. Remarkably, playing with electrochemical parameters not only enables tunable material properties but also increases the material diversities from graphene to a wide spectrum of 2D semiconductors. Here, a succinct and critical survey of the recent progress in this research direction is presented, comprising the strategic design, exfoliation principles, underlying mechanisms, processing techniques, and potential applications of 2D materials. At the end of the discussion, the emerging trends, challenges, and opportunities in real practice are also highlighted.     

考虑主动散热圆柱多孔夹层材料等效热导率及散热性能

针对多孔夹层圆柱壳的主动散热性能以及等效热导率的计算问题,通过推导多孔结构的等效热导率和主动散热状态下的稳态温度控制方程,在对流换热条件下,计算了考虑主动散热后所折减的等效热导率,及其与结构相对密度和流体流速之间的关系。采用考虑主动散热的等效热导率,计算结构瞬态温度分布,并与有限元结果进行对比。同时,计算了夹层圆柱壳相对密度和结构散热性能的关系以及最大散热性能相对应的最优相对密度和最优杆件厚度。通过瞬态温度分布结果与有限元结果对比,得到采用考虑主动散热的等效热导率所得结果与有限元结果吻合,说明了计算等效热导率方法的有效性,并且可以准确地计算瞬态温度分布;同时分析得到等效热导率随着流体流速的增大而减小,随着结构相对密度的增大而增大;在相同结构质量下,正方形和正六边形构型具有较好的主动散热性能。     

Multifunctional design of prismatic cellular materials

Low density, prismatic cellular materials have a combination of properties that make them suitable for multifunctional or multi-physics applications such as ultralight load-bearing combined with energy absorption and heat transfer. In this work, non-uniform, graded cellular materials are designed to achieve superior thermal and structural performance. A general multifunctional design approach is presented that integrates multiobjective decision-making with multi-physics analysis tools of structural and heat transfer performance. Approximate analysis models for heat transfer and elastic stiffness are utilized to analyze designs efficiently. Search/solution algorithms are used to solve multiobjective decisions by interfacing with customized and commercial software. During the design process, cell topology is assumed to be rectangular, but aspect ratios and dimensions of cells and cell walls are varied. Two design scenarios are considered – maximum convective heat transfer and in-plane elastic stiffness in the first case and maximum convective heat transfer and elastic buckling strength in the second case. A portfolio of heat exchanger designs is generated with both periodic and functionally graded cells. Both single- and multi-objective performance are considered, and trade-offs are assessed between thermal and structural performance. Generalization of this approach is discussed for broader materials design applications in which material structures and processing paths are designed to achieve targeted properties and performance characteristics within a larger overall systems design process, and process-structure-property-performance relations are manifested on a hierarchy of length and time scales.     

复合材料微结构多目标自适应拓扑优化

提出适用于多目标最优化问题的自适应加权系数算法 , 将其应用于周期性两相材料微结构拓扑优化。以具有一定体积分数实体材料和对称性的单胞微结构作为优化对象。将单胞经有限元划分 , 应用均匀化方法计算单胞的等效弹性模量。以材料的等效弹性模量作为目标函数 , 以单胞各单元的相对密度作为设计变量 , 并引入SIMP单元刚度插值格式对中间密度单元进行惩罚。在迭代过程中 , 根据目标函数的变化 , 自适应调节加权系数 ,以保证各个分目标在目标函数中的比重。应用自适应加权系数算法 , 对单胞等效弹性模量设定不同的加权系数组合 , 得到了不同的单胞微结构拓扑。数值算例验证了所提出的自适应加权系数算法可以有效地求解复合材料微结构多目标拓扑优化问题。      

高性能 C/ SiC刹车材料及其优化设计

对比分析了 C/ C和 C/ SiC刹车材料的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明 , C/ SiC刹车材料的力学性能比 C/ C的高 , 而且 C/ SiC刹车材料克服了 C/ C静态摩擦系数低和湿态摩擦性能严重衰减的不足 , 说明 C/ SiC刹车材料是一种新型高性能刹车材料。以 C/ C复合材料为基础 , 在深入分析机轮刹车盘服役环境特点的基础上探讨了 C/ SiC刹车材料的力学性能、 热物理性能、 摩擦磨损性能、 复合材料结构和制造工艺等方面的优化设计途径和方法 , 为实现材料微结构2力学性能2摩擦磨损性能的协同设计与制造奠定基础。      

Extreme Specific Stiffness Through Interactive Cellular Networks in Bi-Level Micro-Topology Architected Metamaterials

Architected lattice materials, realized through artificial micro-structuring, have drawn tremendous attention lately due to their enhanced mechanical performances in multifunctional applications. However, the research area on the design of artificial microstructures for the modulation of mechanical properties is increasingly becoming saturated due to extensive investigations considering different possibilities of lattice geometry and beam-like network design. Thus, there exists a strong rationale for innovative design at a more elementary level. It can enhance and grow the microstructural space laterally for exploiting the potential of geometries and patterns in multiple length scales, and the mutual interactions thereof. A bi-level design is proposed, where besides having the architected cellular networks at an upper scale, the constituting beam-like members at a lower scale are further topology-engineered for most optimum material utilization. The coupled interaction of beam-level and lattice-level architectures can enhance the specific elastic properties to an extreme extent (up to ≈25 and 20 times, depending on normal and shear modes, respectively), leading to ultra-lightweight multifunctional materials for critical applications under static and dynamic environments.     

Bioinspired Multifunctional Cellular Plastics with a Negative Poisson’s Ratio for High Energy Dissipation

Cellular plastics have been widely used in transportation, aerospace, and personal safety applications owing to their excellent mechanical, thermal, and acoustic properties. It is highly desirable to impart them with a complex porous structure and composition distribution to obtain specific functionality for various engineering applications, which is challenging with conventional foaming technologies. Herein, it is demonstrated that this can be achieved through the controlled freezing process of a monomer/water emulsion, followed by cryopolymerization and room temperature thawing. As ice is used as a template, this method is environmentally friendly and capable of producing cellular plastics with various microstructures by harnessing the numerous morphologies of ice crystals. In particular, a cellular plastic with a radially aligned structure shows a negative Poisson’s ratio under compression. The rigid plastic shows a much higher energy dissipation capability compared to other materials with similar negative Poisson’s ratios. Additionally, the simplicity and scalability of this approach provides new possibilities for fabricating high-performance cellular plastics with well-defined porous structures and composition distributions.