[發(fā)明專利]基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設(shè)計(jì)及增材制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011077365.6
• 申請(qǐng)日: 2020-10-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112191849B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉飛;王鑫;李海青;謝海瓊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F3/105
• 分類號(hào): B22F3/105;B22F3/11;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 重慶市恒信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種基于溫度分布的梯度多孔結(jié)構(gòu)散熱裝置的設(shè)計(jì)及增材制造方法，屬于熱交換技術(shù)領(lǐng)域，采用本方法設(shè)計(jì)的熱交換器將避免熱應(yīng)力集中、溫度梯度高的缺點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕質(zhì)、熱交換效率高等優(yōu)點(diǎn)。首先給出了根據(jù)溫度分布建立空間矩陣，映射為多孔結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度，得到具有連續(xù)梯度變化的多孔散熱結(jié)構(gòu)；然后給出了典型散熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括Boltzmann擬合函數(shù)算法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；最后，給出了高強(qiáng)高導(dǎo)熱銅合金的增材制造成型工藝，采用選區(qū)激光熔化工藝，一體化成形該裝置。該設(shè)計(jì)方法適用于對(duì)溫度均勻性有特殊要求的場(chǎng)合，能有效避免高熱量集中；梯度變化的多孔結(jié)構(gòu)還具有高比表面積、輕質(zhì)和高散熱效率的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computeraideddesign,CAD)和熱交換技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及基于溫度分布的梯度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造成型技術(shù)。

背景技術(shù)

三周期極小曲面(TriplyPeriodic Minimal Surface,TPMS)是一種基于隱函數(shù)的設(shè)計(jì)方法，具有表達(dá)式簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)高效的特點(diǎn)，其產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)連續(xù)、表面平滑、不易產(chǎn)生應(yīng)力集中的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變函數(shù)中的參數(shù)能便捷的實(shí)現(xiàn)孔隙大小、相對(duì)密度的變化。包括專利(CN201811308405.6)和專利(CN201911407257.8)在內(nèi)的許多專利給出了三周期極小曲面的表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均是在直角坐標(biāo)系下完成的，沒(méi)有涉及圓坐標(biāo)系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)圓柱形結(jié)構(gòu)的多孔填充，也沒(méi)有根據(jù)溫度分布情況進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)，本發(fā)明將用于解決該問(wèn)題。

在熱交換領(lǐng)域，近熱源處和遠(yuǎn)熱源處的溫度梯度相差很大，對(duì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱效率提出了差異化需求，十分有必要根據(jù)溫度或溫度梯度的獨(dú)特情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的梯度設(shè)計(jì)，這將有效提高結(jié)構(gòu)的散熱效率，改善熱源處的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。受限于傳統(tǒng)成型技術(shù)的制造約束，現(xiàn)有的散熱器芯通常采用均勻的片狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有根據(jù)溫度的分布情況進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)。隨著增材制造技術(shù)(3D打印)的發(fā)展，尤其以選區(qū)激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)成型技術(shù)為代表，使得具有高比表面積的多孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量制造，在包括生物植入骨、航空航天及熱交換領(lǐng)域得到了應(yīng)用。選區(qū)激光熔化成型技術(shù)是以激光為能量源，通過(guò)逐層掃描金屬粉末疊加成型制件的增材制造技術(shù)，是多孔結(jié)構(gòu)的最有效制造手段之一。基于層層疊加的工藝方法，SLM極大地釋放了設(shè)計(jì)自由度，為成形具有結(jié)構(gòu)和功能多重屬性的復(fù)雜金屬構(gòu)件，提供了技術(shù)支撐，具有廣闊的發(fā)展前景。借助SLM技術(shù)的高成型自由度優(yōu)勢(shì)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。提出了一種基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設(shè)計(jì)及增材制造方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設(shè)計(jì)及增材制造方法，其包括以下步驟：

步驟1、首先根據(jù)發(fā)熱體溫度分布建立空間矩陣，映射為多孔結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度，得到具有連續(xù)梯度變化的多孔散熱結(jié)構(gòu)；

步驟2、然后設(shè)計(jì)典型散熱器，采用的方法包括Boltzmann擬合函數(shù)算法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；

步驟3、最后，設(shè)計(jì)高強(qiáng)高導(dǎo)熱銅合金的增材制造成型工藝，采用選區(qū)激光熔化工藝，一體化成形該裝置。

進(jìn)一步的，所述步驟1具體包括以下步驟：

A1、首先采集發(fā)熱體的溫度分布，并建立溫度分布的空間矩陣；

A2、選取一種TPMS多孔結(jié)構(gòu)，利用梯度算法控制該多孔結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度；

A3、將空間矩陣與相對(duì)密度值進(jìn)行映射，即能實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的梯度建立，將溫度分布的空間矩陣映射為相對(duì)密度，建立溫度分布的梯度函數(shù)。

進(jìn)一步的，當(dāng)TPMS多孔結(jié)構(gòu)為Gyroid螺旋二十四面體時(shí)，利用梯度算法控制該多孔結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度；其多孔結(jié)構(gòu)的表達(dá)式為