在本研究中,采用拓扑优化技术构建创新的TopS晶格结构,以实现轻量级设计,同时优化其力学性能,提高流动和传热性能。通过模型重建和比例缩放技术,实现了增加表面积的轻量级构型,从而通过激光粉末床聚变(LPBF)技术成功制备了Ti-6Al-4V晶格结构。结合数值模拟和实验测试的综合研究表明,TopS-L16晶格结构在抗压强度方面优于TopS-L1和TopS-L4,抗压强度为386.00 MPa,上抗压屈服强度为352.00 MPa,弹性模量为6938.00 MPa。此外,多层填充晶格结构可以有效地改善流线分布和涡度,降低边界层,表明流体流动可以显著提高和传热性能,其中TopS-L16的性能最好。
本研究采用拓扑优化生成TopS晶格结构的云图,然后采用模型重建和比例比例技术设计轻量级、高表面积的TopS-L晶格结构。利用激光粉末床熔变技术成功制备了Ti-6Al-4V晶格结构器件。采用数值模拟和实验研究相结合的方法来研究它们的压缩行为、能量吸收能力和流体传热特性。本研究对扩大Ti-6Al-4V集成材料在航空航天领域的应用具有重要价值。主要结论总结如下。(1)与TopS-L1和TopS-L4相比,TopS-L16-L4具有优越的抗压性能,抗压强度为386.00 MPa,上抗压屈服强度为352.00 MPa,压缩弹性模量为6938.00 MPa。这种增强在很大程度上是由于其优化的内部结构,有效地分散了应力,提高了能量吸收能力。晶格数量的增加有助于减轻局部应力集中,向更有利的整体剪切滑移失效模式转变,从而减少了突然发生灾难性失效的可能性。(2)通过对晶格结构的尺寸进行调整和数量的增加,不仅单位体积表面积增加,从而提高固体与流体之间的接触传热能力,而且通过改善流体流线分布和涡度,促进流体混合,减少边界层厚度。这有效地提高了流体的流动和传热性能。具体来说,TopS-L16结构具有最好的流体流动和传热性能,温度梯度为279.2 K,温度梯度比为43.4 %。(3)对TopS-L晶格结构内的速度分布和涡度的分析表明,其迎风侧由多个棱镜组成,产生广泛的空洞和相对较小的剪切作用区,显示出突出的直接流线流特性和多柱剪切流属性。此外,更小尺度的晶格结构细化了流场,可以潜在地抑制湍流,并触发更复杂的二次流,完全有助于增强Ti-6Al-4V晶格结构中的流体流动和传热性能。
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