Topology optimization of controllable porous microstructure with maximum thermal conductivity

热导率 多孔性 材料科学 拓扑优化 各向同性 各向异性 微观结构 拓扑(电路) 多孔介质 热的 复合材料 热力学 有限元法 光学 物理 数学 组合数学
作者
Guangpeng Feng,Guanfu Pan,Yanhui Feng,Xinxin Zhang,Lin Qiu
出处
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer [Elsevier BV]
卷期号:220: 124990-124990 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124990
摘要

Porous structures are lightweight and thus possess tailorable thermophysical properties through topological design. A multi-constraint topology optimization scheme is developed for designing 2D periodic lattice material with controllable porosity and optimal thermal conductivity. The porosity, pore size and specific surface area are modulated by imposing local density constraints, and thus the structure-determined thermal conductivity can be systematically investigated. The isotropic porous structures after optimization show effective thermal conductivity close to the Hashin-Shtrikman theoretical bound. The specific surface area of base cell is enlarged with imposing local density constraint. In addition, microstructure with anisotropic thermal conductivity can be also obtained. The samples of lattice structure are additively manufactured via selective laser melting, and the thermal conductivities are experimentally validated with deviation within 10 %. The proposed porous structures with targeted porosity have potential application in skeleton embedded with phase change materials.

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