一种匹配热膨胀系数的点阵连接件及其点阵填充方法技术

本发明专利技术属于增材设计技术领域，提出了一种匹配热膨胀系数的点阵连接件及其点阵填充方法。该连接件与前后两零件连接处匹配相同的热膨胀系数，中间部位采用热膨胀系数渐近过渡的过渡结构。在此基础上，通过过渡结构的参数化建模，同时保留点阵单胞的几何关系，根据连接件的随形网格信息，对连接件进行点阵填充建模设计，实现单胞在复杂几何连接件体内的自动填充。该方法解决异质高低温连接结构连接面上热应力过大的问题，很大程度上保证了在温度载荷作用下结构的机械性能，同时点阵填充连接件的点阵自动填充技术，保证了单胞的完整性及零件内部单胞的连续性，实现复杂几何零件的点阵随形填充。形填充。形填充。

【技术实现步骤摘要】
一种匹配热膨胀系数的点阵连接件及其点阵填充方法


[0001]本专利技术涉及增材设计领域，尤其涉及一种匹配热膨胀系数的点阵连接件及其点阵填充方法。

技术介绍

[0002]在航空航天等领域中，由于结构不同部位具有巨大的温差，而且材料本身受热会产生变化，温度梯度会导致结构内部产生热应力，从而影响结构的几何稳定性和结构功能的实现。针对高低温异质连接结构，由于不同部位温度不同或者采用不同热膨胀材料，连接件需要具有热膨胀匹配的能力以降低热应力。因此，设计出一种特定的异质高低温连接结构是十分必要的。专利技术专利CN202010788090.0公开了一种热膨胀可调的陶瓷材料构件制备方法，通过对陶瓷构件的调节实现负膨胀、零膨胀和大幅值正膨胀设计，并通过光固化3D打印实现陶瓷结构的制备。专利技术专利CN200880012220.9公开了一种具有热膨胀系数匹配功能的材料，该方法将具有较低热膨胀系数的其它陶瓷材料与具有高热膨胀系数的陶瓷基底材料相混合，使得由该组合物制得的材料的热膨胀系数与金属材料的热膨胀系数相一致。
[0003]但是目前热膨胀系数匹配方法仍存在以下问题：
[0004](1)由于异质高低温结构本身工作具有很大的温差，需要通过热膨胀匹配的连接件设计使得前后两个结构件既能保证其力学性能，又能避免由于两个零件的温度差而互相影响，而当结构件考虑减重效果而采用镂空的点阵材料结构时，尚未有实现热膨胀系数匹配的特定方法。
[0005](2)缺少形状复杂的结构件的点阵材料填充方法。由于单胞构型具有复杂性，杆件的尺寸及杆件之间的角度也很难在商业软件的实际操作中完成，无法做到随形复杂几何完整地实现构型复杂的点阵单胞填充设计，从而降低了三维点阵结构设计与制造的效率。而且，过渡零件结构往往是一种不规则的零件，不可能仅仅依靠单胞的周期阵列所构成。因此，针对复杂几何点阵填充连接件，商业软件只能对单独单胞进行周期性排布或者曲线阵列再切除，不能灵活地改变每个单胞在实体中的构型，从而降低结构的力学性能，不能达到预期的目标。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述实际工程中遇到的问题，专利技术出一种匹配热膨胀系数的点阵连接件及其点阵填充方法。由于高温环境下前后两零件连接处存在大应力的主要原因是，两个零件的热膨胀系数不匹配，所以连接件与前后两零件连接处需要匹配两个零件的热膨胀系数。因此，与过渡零件接触区域的点阵材料等效热膨胀系数设计为对应零件的热膨胀系数，进而从一侧热膨胀系数逐渐步过渡到另一侧的热膨胀系数，而且还可以采用零膨胀点阵材料过渡，从而通过引入热膨胀系数匹配的点阵填充连接件，避免了两个热膨胀系数差异较大零件的直接接触。该专利技术通过两个方面进行实现：一方面，针对高低温异质复杂几何连接结构，将点阵连接件的前、后部分匹配被连接零件热膨胀系数；另一方面，针对该连接件的
结构设计，使用相应点阵随形填充方法，将点阵材料结构应用于复杂零件中。最终，实现匹配热膨胀系数的点阵填充结构宏微观一体化设计。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种匹配热膨胀系数的点阵连接件，用于连接两个异质高低温的零件，其分为前部分、后部分和中间部分；前部分、后部分分别与零件连接，且单胞结构保证与连接的零件材料具有相同的等效热膨胀系数；中间部分为过渡结构，其由过渡单胞填充而成。
[0009]所述过渡结构中过渡单胞采用优化的方法获得，通过优化过渡结构中过渡单胞的热膨胀系数，以热膨胀系数为优化目标，实现过渡单胞热膨胀系数的渐近过渡；并通过在过渡结构中填充过渡单胞的方式，使得过渡结构为热膨胀系数从一侧零件过渡到另一侧零件分布的热膨胀结构。
[0010]所述过渡单胞的基本单元为两个双材料曲线四棱锥结构底面连接而成，双材料曲线四棱锥结构是一种可设计热膨胀系数的结构；其中，双材料曲线四棱锥的几何关系式如公式(1.1)所示：
[0011][0012]其中，L1、L2、h分别为曲线四棱锥的侧棱、底边以及高的尺寸，β为四棱锥侧棱与中心线的夹角；之后，分别对L1、L2求微分得：
[0013][0014]其中，dL1、dL2、dh、dβ、dT分别是L1、L2、h、β、温度T的微分形式；根据热膨胀系数的定义，双材料曲线四棱锥底边四个杆件的近似热膨胀系数为而四棱锥的侧棱四个杆件的近似热膨胀系数为故可以得到单胞等效热膨胀系数与两种材料热膨胀系数的近似关系：可以看出选定两种不同材料或设计角度β的大小，都可以改变过渡单胞的近似等效热膨胀系数α
h
的大小。而通过将两个双材料曲线四棱锥结构底面连接，形成热膨胀系数可设计的基本单元；
[0015]将8个基本单元遵循前后对称、十字对称方式连接，8个基本单元的顶点连接于一点，形成过渡单胞；以过渡单胞内基本单元的夹角β为设计变量，过渡单胞的热膨胀系数为目标函数，进行优化得到热膨胀系数渐近过渡的过渡单胞，实现过渡单胞的正、零和负膨胀系数的变化；最后将不同构型的过渡单胞填入过渡结构中从而形成匹配热膨胀系数的点阵连接件。
[0016]所述过渡单胞的具体构型由优化设计得来，其中一种形式是过渡结构全由零膨胀单胞填充而成，零膨胀单胞通过调控单胞内基本单元中的角度β，使其热膨胀系数为零。
[0017]一种匹配热膨胀系数的点阵连接件的点阵填充方法，将过渡结构整体结构划分为八节点实体单元，其分别对应过渡单胞所包含的八个顶点；根据不同过渡单胞构型以及顶
点位置，建立过渡单胞的三维模型，最后利用三维软件的自动填充功能将不同构型的过渡单胞填充到过渡结构的相应位置，形成过渡结构的点阵填充模型。
[0018]匹配热膨胀系数的点阵连接件的前部分和后部分与中间部分的填充方式一致。
[0019]匹配热膨胀系数的点阵连接件的点阵填充方法的具体步骤为；
[0020]步骤1、对所填充的过渡结构进行八节点实体单元网格划分，获取相应的网格节点位置信息、网格节点编号信息及网格数量信息；
[0021]步骤2、建立过渡单胞单元体心及八顶点位置；通过获取的网格节点位置信息计算出过渡单胞的中心点坐标，通过过渡单胞中心点坐标、过渡单胞顶点坐标和基本单元的角度β获得基本单元中双材料曲线四棱锥底面四个点的坐标，从而得到绘制过渡单胞的各个参数；
[0022]步骤3、建立过渡单胞模型；根据得到的过渡单胞的各个参数，连接预先建立好的端点，形成一条线段或曲线，通过在线段端点处建立垂直于连线的基准面，并在基准面内绘制以此线段端点为圆心，半径为r的圆，并使圆沿着线段扫描建立出过渡单胞杆件模型；此时的杆件截面积根据控制参数r数值的改变进行改变，截面形状通过草图形状进行变化；为了实现单胞的可制造性，通过建立过渡单胞的球型角点实现杆件顶点的连接；在之前建立杆件截面的基准面内绘制出一个以线段端点为圆心的半圆，半径略大于杆件的半径；通过旋转的指令以半圆直径为轴，将半圆旋转一周从而建立球角；从而建立完成每个过渡单胞的三维模型；
[0023]步骤4、利用循环语句，重复步骤3的过程，使得每个过渡单胞具有不同的网格节点位置信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种匹配热膨胀系数的点阵连接件，其特征在于，该匹配热膨胀系数的点阵连接件用于连接两个异质高低温的零件，其分为前部分、后部分和中间部分；前部分、后部分分别与零件连接，且单胞结构保证与连接的零件材料具有相同的等效热膨胀系数；中间部分为过渡结构，其由过渡单胞填充而成。2.根据权利要求1所述的匹配热膨胀系数的点阵连接件，其特征在于，所述过渡结构中过渡单胞采用优化的方法获得，通过优化过渡结构中过渡单胞的热膨胀系数，以热膨胀系数为优化目标，实现过渡单胞热膨胀系数的渐近过渡；并通过在过渡结构中填充单胞的方式，使得过渡结构为热膨胀系数从一侧零件过渡到另一侧零件分布的热膨胀结构。3.根据权利要求2所述的匹配热膨胀系数的点阵连接件，其特征在于，所述过渡单胞的基本单元为两个双材料曲线四棱锥结构底面连接而成，双材料曲线四棱锥结构是一种可设计热膨胀系数的结构；根据选定两种不同材料或设计四棱锥的角度的大小，可改变过渡单胞的等效热膨胀系数；而通过将两个双材料曲线四棱锥结构底面连接，形成热膨胀系数可设计的基本单元；将8个基本单元遵循前后对称、十字对称方式连接，8个基本单元的顶点连接于一点，形成过渡单胞；以过渡单胞内四棱锥的夹角为设计变量，过渡单胞的热膨胀系数为目标函数，进行优化得到热膨胀系数渐近过渡的过渡单胞，实现过渡单胞的正、零和负膨胀系数的变化；最后将不同构型的过渡单胞填入过渡结构中从而形成匹配热膨胀系数的点阵连接件。4.根据权利要求3所述的匹配热膨胀系数的点阵连接件，其特征在于，所述过渡单胞的具体构型由优化得来，其中一种形式是过渡结构全由零膨胀单胞填充而成，零膨胀单胞通过调控单胞内基本单元中的夹角，使其热膨胀系数为零。5.一种匹配热膨胀系数的点阵连接件的点阵填充方法，其特征在于，将过渡结构整体划分为八节点实体单元，其分别对应过渡单胞所包含的八个顶点；...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛斌，汪浩天，王帅，冀宾，刘笑天，顾铖璋，杨睿，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：