基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，属于航天器轻量化多功能结构技术领域。本发明专利技术所述方法考虑了增材制造工艺约束，通过宏微观结合的手段，可快速设计出满足增材制造要求的一体化结构。所设计的相变储能装置结构内部为三维网络结构，实现轻量化设计和内部连通，较传统结构减重60％以上；采用特定结构的稀疏点阵胞元和致密点阵胞元配合填充，避免出现悬臂杆件以实现两种胞元之间无缝拼接，而且避免顶部结构的坍塌；另外，所述设计的相变储能装置结构不存在焊接导致的强度问题，在航天器轻量化多功能结构设计领域具有良好的应用前景。

Design method of Lattice Sandwich Structure in phase change energy storage device based on material increase

The invention relates to a design method of dot matrix sandwich structure based on increasing material manufacturing phase change energy storage device, which belongs to the technical field of lightweight multi-function structure of spacecraft. The method of the invention takes into consideration the restriction of the process of adding material, and by means of combining macroscopically and microscopically, we can quickly design an integrated structure to meet the requirement of increasing material manufacturing. The design of the phase change device structure of three-dimensional network structure, realize the lightweight design and internal connectivity, compared with the traditional structure of 60% weight loss; the sparse lattice cell specific structure and dense lattice cell filled with, avoid the cantilever rod to realize the two cell between the seamless, but also avoid the top structure the collapse; in addition, the phase change of the design structure of the device can not exist strength problems caused by welding, it has a good application prospect in lightweight spacecraft multi functional structure design.

【技术实现步骤摘要】
基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法
本专利技术涉及一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，属于航天器轻量化多功能结构

技术介绍
航天器上相机、天线等精密设备种类多，正常工作的温度环境要求较为苛刻，相变储能装置的主要作用是对有效载荷设备进行温度控制，利用装置结构内部填充的相变材料，通过相变吸收或释放热量来实现对设备的相对恒温控制。传统的相变储能装置结构采用机械加工制造，存在重量重的缺点，严重制约着深空探测等领域航天器的有效载荷功能和性能提升，而且需要通过焊接的方式实现结构连接，在焊接部位往往存在强度或疲劳问题，以及热控工质泄漏的隐患。
技术实现思路
为了弥补传统相变储能装置结构的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，该方法考虑了增材制造工艺约束，通过宏微观结合的手段，可快速设计出满足增材制造要求的一体化结构，所设计的相变储能装置结构质量较传统相变储能装置结构大幅减轻，而且不存在焊接导致的强度问题，在航天器轻量化多功能结构设计领域具有良好的应用前景。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体，内部为三维网络结构；所述壳体为一个长方体结构，实现所述点阵夹层结构外部密封；壳体上加工有工艺孔和充装孔，并分别对壳体的内型面棱边和外型面棱边、工艺孔以及充装孔进行倒角，来减小结构关键部位的应力集中，避免产生强度失效；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元和致密点阵胞元两种重复单元在空间平移排列形成的；其中，稀疏点阵胞元和致密点阵胞元均是由圆柱形杆件构成的对四棱锥结构。所述设计方法步骤如下：(1)增材制造工艺约束分析根据常规的航天器相变储能装置结构尺寸要求，采用的增材制造工艺具体为激光选区熔化成型技术；该技术相比其他增材制造技术，更加适合百毫米尺度的复杂结构成型，成型精度较高；激光选区熔化成型技术的主要工艺约束包括两个方面：一是稳定成型的圆柱形杆件的最小直径ΦMin或壳体的最小壁厚tMin；二是所述相变储能装置点阵夹层结构成型过程顶部的致密点阵胞元最大尺寸Max，否则会发生成型过程中壳体顶部结构的变形或坍塌，导致结构成型失败；这三个参数的具体取值与激光选区熔化成型设备、金属粉末材料、制造工艺参数以及产品性能要求有关。结合目前航天领域相变储能装置结构的设计与制造经验，圆柱形杆件的直径Φ和壳体的壁厚t一般取为0.3mm，致密点阵胞元的最大尺寸一般取为4mm，该组参数的取值可跟根据增材制造工艺技术发展以及应用需求进行分析修正。(2)整体结构形式设计壳体的宽度、高度、厚度分别记为W、H、T，宽度和高度均在百毫米量级，厚度在十毫米量级。宽度和高度的具体取值一般与精密设备的安装面尺寸一致，若安装面尺寸超出百毫米量级，则可以将其分为多个区域，保证每个区域的尺寸均在百毫米量级，从而满足激光选区熔化成型设备对相变储能装置尺寸的限制；厚度尺寸根据安装空间进行设计，一般在10mm至30mm之间。根据实际需求，确定W、H、T的值。为了满足外部密封和内部连通的功能需求，将外部设计为均匀厚度壳体，内部采用稀疏点阵胞元和致密点阵胞元配合形成三维网络结构；稀疏点阵胞元的作用是实现轻量化支撑，而致密点阵胞元的作用是减少或避免制造过程中壳体顶部结构的变形或坍塌，稀疏点阵胞元和致密点阵胞元的类型均选定轻量化性能优异且可制造性强的对四棱锥形结构。(3)稀疏点阵胞元及其空间分布设计稀疏点阵胞元在壳体内部空间平移排列形成稀疏点阵阵列，而由稀疏点阵胞元填充形成的稀疏点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W1＝W-Φ，H1＝H-Φ，T1＝T-Φ，稀疏点阵阵列区域在三个正交方向的尺寸比壳体在三个正交方向的尺寸小Φ，是为了保证增材制造结构的稀疏点阵胞元填充区域的外轮廓恰好不超出壳体结构外形尺寸，因为圆柱形杆件直径并不为零。稀疏点阵胞元在三个正交方向(即壳体的宽度、高度和厚度方向)的设计尺寸为D1、D2和D3；优选的，D1＝D2＝D3＝(T-Φ)/2，减去Φ的目的是为了保证制造出来的结构外轮廓恰好不超出壳体厚度，除以2的目的是为了保证在壳体厚度方向只有两层稀疏点阵胞元，这是因为在现有的增材制造精度工艺约束条件下，这种双层设计的轻量化性能较好，有较高的空隙率和容积能力，同时减少杆件由于制造过程的热应力或服役载荷导致压杆失稳问题。(4)致密点阵胞元及其空间分布设计致密点阵胞元在三个正交方向的设计尺寸为d1＝D1/2，d2＝D2/2，d3＝D3/2，这种设计是为了保证致密点阵阵列与稀疏点阵阵列之间较好的一体化性能；致密点阵胞元在壳体内部空间平移排列形成致密点阵阵列，而由致密点阵胞元填充形成的致密点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W2＝W-Φ，H2＝(n+0.25)×D1，T2＝T-Φ，n为正整数，致密点阵胞元填充的区域尺寸的设计是为了实现致密点阵阵列与稀疏点阵阵列的无缝拼接，避免出现悬臂杆件，以及由于悬臂杆件导致的制造过程中的局部坍塌失效和结构内部多余物的后处理清理困难；n一般小于等于5，是为了减小层数过多导致的重量增加。(5)建立宏观实体模型分别对稀疏点阵阵列区域、致密点阵阵列区域以及壳体进行三维几何建模，壳体上的工艺孔、充装孔、壳体内型面棱边倒角、壳体外型面棱边倒角、工艺孔倒角以及充装孔倒角都要同时建立；其中，壳体、稀疏点阵阵列区域和致密点阵阵列区域的宽度、高度、厚度见步骤(2)、(3)和(4)，壳体的壁厚t应满足步骤(1)的工艺约束。(6)建立微观点阵模型建立对四棱锥点阵胞元的几何模型，该几何模型外包络为立方体形状。根据步骤(3)和(4)设置的稀疏点阵胞元尺寸和致密点阵胞元尺寸，并用稀疏点阵胞元填充稀疏点阵阵列区域宏观模型的内部空间，用致密点阵胞元填充致密点阵阵列区域宏观模型的内部空间，对所建立的微观稀疏点阵模型和微观致密点阵模型分别赋予圆柱形杆件直径属性，ΦMin≤Φ≤3ΦMin，这里是为了保证微观点阵结构模型满足步骤(1)的工艺约束，同时具有较好的轻量化性能，保留所建立的微观点阵模型，删除稀疏点阵阵列区域宏观模型和致密点阵阵列区域宏观模型；(7)建立宏微观一体化模型将步骤(6)所建立的微观稀疏点阵模型和微观致密点阵模型，以及步骤(5)所建立的宏观壳体结构模型，进行装配，使得稀疏点阵阵列区域的几何中心与壳体的几何中心重叠，以保证微观点阵结构恰好被壳体模型的外轮廓所包围，不产生圆柱形杆件突出在壳体外部的现象，形成宏微观一体化模型。(8)力学强度分析验证对步骤(7)建立的宏微观一体化模型进行有限元力学计算，分析在设计载荷条件下结构强度是否满足安全裕度要求，若是则进行步骤(9)；若不是，根据最大应力出现的部位，增加壳体的壁厚或圆柱形杆件的直径，或调整致密点阵胞元的填充区域，直至满足强度安全裕度要求，该步骤中的设计参数调整需要满足前述步骤要求；(9)设计结果输出及制造将满足力学强度要求的宏微观一体化模型进行输出，并利用激光选区熔化技术进行增材制造，得到相变储能装置点阵夹层结构。激光选区熔化成型工艺参数设置如下：激光功率340W～380W，扫描速率1000mm/s～1500mm/s，填充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，其特征在于：所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体(5)，内部为三维网络结构；所述壳体(5)为一个长方体结构，壳体(5)上加工有工艺孔和充装孔；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)两种重复单元在空间平移排列形成的；其中，稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)均是由圆柱形杆件构成的对四棱锥结构；所述设计方法步骤如下，(1)增材制造工艺约束分析对于百毫米尺寸的相变储能装置，选用激光选区熔化成型技术进行制造；根据激光选区熔化成型技术的工艺约束，确定圆柱形杆件的最小直径ΦMin、壳体(5)的最小壁厚tMin以及致密点阵胞元(2)的最大尺寸Max；(2)整体结构形式设计外部为厚度均匀的壳体(5)，其宽度、高度、厚度分别记为W、H、T，根据具体相变储能装置的尺寸要求，确定W、H、T的值；壳体(5)内部采用稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)配合形成三维网络结构，满足外部密封、内部连通以及轻量化的要求；(3)稀疏点阵胞元及其空间分布设计稀疏点阵胞元(1)在壳体(5)内部空间平移排列形成稀疏点阵阵列(3)，而由稀疏点阵胞元(1)填充形成的稀疏点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W1＝W‑Φ，H1＝H‑Φ，T1＝T‑Φ；其中，Φ为圆柱形杆件的直径；(4)致密点阵胞元及其空间分布设计致密点阵胞元(2)在三个正交方向的设计尺寸为d1＝D1/2，d2＝D2/2，d3＝D3/2；其中，D1、D2和D3为稀疏点阵胞元(1)在三个正交方向相应的设计尺寸；致密点阵胞元(2)在壳体(5)内部空间平移排列形成致密点阵阵列(4)，而由致密点阵胞元(2)填充形成的致密点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W2＝W‑Φ，H2＝(n+0.25)×D1，T2＝T‑Φ，n为正整数；(5)建立宏观实体模型根据步骤(1)～(4)对尺寸的设计要求，分别对稀疏点阵阵列区域、致密点阵阵列区域以及壳体(5)进行三维几何建模，壳体(5)上的工艺孔和充装孔要同时建立；(6)建立微观点阵模型根据步骤(3)和(4)对稀疏点阵胞元(1)以及致密点阵胞元(2)尺寸的设计要求，用稀疏点阵胞元(1)填充稀疏点阵阵列区域宏观模型的内部空间，用致密点阵胞元(2)填充致密点阵阵列区域宏观模型的内部空间，对所建立的微观稀疏点阵模型和微观致密点阵模型分别赋予圆柱形杆件直径属性，ΦMin≤Φ≤3ΦMin，同时删除稀疏点阵阵列区域宏观模型和致密点阵阵列区域宏观模型；(7)建立宏微观一体化模型将步骤(6)所建立的微观稀疏点阵模型和微观致密点阵模型，以及步骤(5)所建立的宏观壳体结构模型，进行装配，使得稀疏点阵阵列区域的几何中心与壳体(5)的几何中心重叠，形成宏微观一体化模型；(8)力学强度分析验证对步骤(7)建立的宏微观一体化模型进行有限元力学计算，分析在设计载荷条件下结构强度是否满足安全裕度要求，若是则进行步骤(9)；若不是，则改变壳体(5)的壁厚、圆柱形杆件的直径或者致密点阵胞元(2)的填充区域，并重复步骤(3)～(7)；(9)设计结果输出及制造将满足力学强度要求的宏微观一体化模型进行输出，并利用激光选区熔化技术进行增材制造，得到相变储能装置点阵夹层结构。...

【技术特征摘要】
1.一种基于增材制造的相变储能装置点阵夹层结构的设计方法，其特征在于：所述点阵夹层结构是采用增材制造工艺制备得到的一体化结构，外部为壳体(5)，内部为三维网络结构；所述壳体(5)为一个长方体结构，壳体(5)上加工有工艺孔和充装孔；所述三维网络结构是由稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)两种重复单元在空间平移排列形成的；其中，稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)均是由圆柱形杆件构成的对四棱锥结构；所述设计方法步骤如下，(1)增材制造工艺约束分析对于百毫米尺寸的相变储能装置，选用激光选区熔化成型技术进行制造；根据激光选区熔化成型技术的工艺约束，确定圆柱形杆件的最小直径ΦMin、壳体(5)的最小壁厚tMin以及致密点阵胞元(2)的最大尺寸Max；(2)整体结构形式设计外部为厚度均匀的壳体(5)，其宽度、高度、厚度分别记为W、H、T，根据具体相变储能装置的尺寸要求，确定W、H、T的值；壳体(5)内部采用稀疏点阵胞元(1)和致密点阵胞元(2)配合形成三维网络结构，满足外部密封、内部连通以及轻量化的要求；(3)稀疏点阵胞元及其空间分布设计稀疏点阵胞元(1)在壳体(5)内部空间平移排列形成稀疏点阵阵列(3)，而由稀疏点阵胞元(1)填充形成的稀疏点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W1＝W-Φ，H1＝H-Φ，T1＝T-Φ；其中，Φ为圆柱形杆件的直径；(4)致密点阵胞元及其空间分布设计致密点阵胞元(2)在三个正交方向的设计尺寸为d1＝D1/2，d2＝D2/2，d3＝D3/2；其中，D1、D2和D3为稀疏点阵胞元(1)在三个正交方向相应的设计尺寸；致密点阵胞元(2)在壳体(5)内部空间平移排列形成致密点阵阵列(4)，而由致密点阵胞元(2)填充形成的致密点阵阵列区域的宽度、高度、厚度分别为W2＝W-Φ，H2＝(n+0.25)×D1，T2＝T-Φ，n为正整数；(5)建立宏观实体模型根据步骤(1)～(4)对尺寸的设计要求，分别对稀疏点阵阵列区域、致密点阵阵列区域以及壳体(5)进行三维几何建模，壳体(5)上的工艺孔和充装孔要同时建立；(6)建立微观点阵模型根据步骤(3)和(4)对稀疏点阵胞元(1)以及致密点阵胞元(2)尺寸的设计要求，用稀疏点阵胞元(1)填充稀疏点阵阵列区域宏观模型的内部空间，用致密点阵胞元(2)填充致密点阵阵列区域宏观模型的内部空间，对所建立的微观稀疏点阵模型和微观致密点阵模型分别赋予圆柱形杆件直径属性，ΦMin≤Φ≤3ΦMin，同时删除稀疏点阵阵列区域宏观模型和致密点阵阵列区域宏观模型；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张啸雨，郭霖，周浩，苗建印，向艳超，邓宇华，成志忠，陈燕，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11