本發(fā)明屬于材料科學領(lǐng)域，特別涉及一種基于tpms的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、多孔材料由相互貫通的孔隙網(wǎng)絡構(gòu)成，具有比表面積大、滲透性能好等優(yōu)點，被廣泛地應用于航空航天、機械、醫(yī)學、化工等領(lǐng)域。其中石墨多孔材料更是在流體領(lǐng)域被大量使用。應用于流體領(lǐng)域的多孔材料往往孔徑都在μm級別，孔隙度較小，相對密度大。常見的石墨多孔材料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布不均勻且具有隨機性，制約了其在氣浮軸承等高精度要求場景中的應用。

2、為了設計出可控的性能更加優(yōu)異的多孔結(jié)構(gòu)模型，目前主流的多孔結(jié)構(gòu)建模方法主要有cad方法、基于拓撲優(yōu)化的填料方法、voronoi方法以及tpms法。cad方法受限于構(gòu)建的基礎(chǔ)孔隙單元，不一定能保證三維空間內(nèi)連通性和周期性。基于拓撲優(yōu)化的填料方法目前只應用于力學應用場景，流體應用場景的拓撲優(yōu)化十分具有挑戰(zhàn)性。voronoi法雖然能控制孔隙的大小，但構(gòu)建出的模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然是不規(guī)則的。而且對于模型尺寸很大或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)微小的情況，voronoi法并不適用。相比之下，要構(gòu)建內(nèi)部微結(jié)構(gòu)可控的多孔材料模型，tpms法是更好的選擇。

3、傳統(tǒng)石墨多孔材料往往會具有滲透率各向異性的特點，tpms結(jié)構(gòu)也一樣存在這個問題。在tpms這種具有周期性的結(jié)構(gòu)中，其韌帶的大小和方向分布是有規(guī)律的，這導致tpms結(jié)構(gòu)的滲透率性能存在方向性依賴，結(jié)構(gòu)具有明顯的滲透率強方向和弱方向。滲透率的各向異性會導致不同方向上通過材料的流體流量不同，因通過流量的差異會在材料的不同區(qū)域產(chǎn)生壓力和壁面剪切力的差異。在流體應用場景中，各向異性是一個不可忽略的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于tpms晶格，結(jié)合tpms結(jié)構(gòu)的滲透率和各向異性指數(shù)的解析模型，進行多孔材料構(gòu)建，可以很好的用于各項如微流動、氣浮軸承方向等研究，具有方法簡便、使用快速等特點的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

3、一種基于tpms的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法，包括以下步驟：

4、s1、選取一定數(shù)量的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，構(gòu)建tpms多孔結(jié)構(gòu)樣本。

5、s2、利用cfd對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的tpms結(jié)構(gòu)進行流場仿真，得到結(jié)構(gòu)各個方向上的滲透率。

6、s3、建立tpms多孔結(jié)構(gòu)的滲透率和滲透率各向異性指數(shù)的解析模型。

7、s4、結(jié)合解析模型，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整法和復合單元法構(gòu)建滲透率各向可控的多孔材料。

8、進一步地，所述步驟s1包括以下子步驟：

9、s11、應用在三個不同方向上都具有周期性的隱式函數(shù)構(gòu)建出tpms曲面，所述tpms方程如下：

10、tpms:f(x,y,z)＝c

11、其中c為決定tpms單元幾何形狀的結(jié)構(gòu)參數(shù)，代表了曲面距離單元中心點的遠近程度。

12、將原始tpms曲面沿著曲率的正負方向各偏移一段距離然后將兩個曲面閉合進而獲得了壁厚為w的tpms多孔結(jié)構(gòu)。通過布爾運算將結(jié)構(gòu)分為孔隙部分和實體部分。

13、s12、對于結(jié)構(gòu)參數(shù)w和c，選取一定數(shù)量的參數(shù)組合利用步驟s11的方法構(gòu)建tpms多孔模型，建立模型樣本庫。

14、進一步地，所述步驟s2包括以下子步驟：

15、s21、將tpms模型導入流場分析軟件中，設置多組壓力差邊界條件，使用軟件進行仿真，然后提取模型進出口的流量數(shù)據(jù)；

16、s22、tpms結(jié)構(gòu)的流體流動滿足darcy定律，利用入口的體積流量計算出tpms結(jié)構(gòu)的滲透率k。當有m組進出口流量數(shù)據(jù)時，將壓力差δp和體積流量q取對數(shù)，采用以下公式計算滲透率：

17、

18、式中，a是供氣面積(m2)，η為氣體粘度，h為結(jié)構(gòu)的總厚度。

19、s23、改變tpms結(jié)構(gòu)的流體進出口位置，重復步驟s21～s22的操作，獲得結(jié)構(gòu)不同方向上的滲透率。

20、進一步地，所述步驟s3包括以下子步驟：

21、結(jié)合darcy定律和hagen-poiseuille公式，可知tpms結(jié)構(gòu)的滲透率與壁厚w的平方成正比?？紤]參數(shù)c對滲透率的影響，提出tpms結(jié)構(gòu)的滲透率解析模型：

22、k＝m·w2+(w-n)(c-(w-o))2+p·(c-(w-o))+q

23、其中，w為tpms結(jié)構(gòu)的壁厚，c為tpms隱式方程中的參數(shù)c，m、n、o、p、q為常數(shù)。

24、考慮三個方向上的滲透率差異，分別是垂直方向的滲透率kz，水平方向的滲透率kx，斜向45度的滲透率kyz，定義滲透率各向異性指數(shù)a為：

25、

26、各向異性指數(shù)a的解析模型為：

27、

28、其中，α、β、γ、δ、ε、均為常數(shù)。

29、進一步地，所述步驟s4包括以下子步驟：

30、s41、將步驟s23中獲得的滲透率數(shù)據(jù)帶入步驟s3中的滲透率k和各向異性指數(shù)a的解析模型，計算出解析模型中各個系數(shù)的值；

31、s42、若各向異性指數(shù)a的曲面與平面a＝0有交點，利用結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整法來構(gòu)建滲透率各向可控的材料的方法如下：

32、求解各向異性指數(shù)a的曲面與平面a＝a的交線，a為指定的滲透率各向異性程度。當a＝0時，交線上的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)組合均滿足滲透率各向同性。將交線投影至滲透率k曲面上，得到交線上的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合與滲透率的關(guān)系，即可求出指定滲透率、各向異性程度的tpms結(jié)構(gòu)對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)w和c。

33、s43、若各向異性指數(shù)a的曲面與平面a＝0沒有交點，利用復合結(jié)構(gòu)法來構(gòu)建滲透率各向可控的材料的方法如下：

34、選取各向異性指數(shù)a>0和a<0的結(jié)構(gòu)各一種，采用以下公式將兩種tpms單元復合，即可獲得指定滲透率各向異性程度的復合結(jié)構(gòu)。

35、

36、其中，a1和a2分別為單元1和單元2的滲透率各向異性指數(shù)，u為單元1的占比，取值在[0,1]之間，a為指定的滲透率各向異性程度，f1和f2分別為兩種tpms單元的方程。

37、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用三周期極小曲面(tpms)，基于滲透率和各向異性指數(shù)的解析模型，結(jié)合參數(shù)調(diào)整法和復合單元法構(gòu)建滲透率各向可控的多孔材料。相比傳統(tǒng)方法，本發(fā)明生成的模型滲透性能可控，可以很好的用于tpms結(jié)構(gòu)的設計，同時還具有方法簡便、使用快速等特點。

技術(shù)特征：

1.一種基于tpms的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種基于tpms的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s1包括以下子步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種基于tpms的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s2包括以下子步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種基于tpms的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s3包括以下子步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種基于tpms的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s4包括以下子步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于TPMS的滲透率各向可控的多孔材料構(gòu)建方法，本發(fā)明的方法采用三周期極小曲面(TPMS)，基于滲透率和各向異性指數(shù)的解析模型，結(jié)合參數(shù)調(diào)整法和復合單元法構(gòu)建滲透率各向可控的多孔材料。相比傳統(tǒng)方法，本發(fā)明生成的模型滲透性能可控，可以很好的用于TPMS結(jié)構(gòu)的設計，同時還具有方法簡便、使用快速等特點。

技術(shù)研發(fā)人員：王偉,曾超群
受保護的技術(shù)使用者：電子科技大學長三角研究院（湖州）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/19