双层椭圆核壳结构的全方向热-电隐身斗篷及其设计方法与流程

1.本发明属于超材料技术领域，涉及一种双层椭圆核壳结构的全方向热-电隐身斗篷及其设计方法。


背景技术：

2.超材料通过设计材料参数和结构特征来实现一些普通材料所不具备的特殊功能。针对材料设计，通常采用坐标变换和中性夹杂等方法来实现。即通过设计一些区域的材料参数来实现特殊的物理场控制功能。例如：隐身功能，聚集功能，伪装功能，探测功能等等。随着研究的进一步深入，针对多物理场控制功能的超材料逐渐引起了研究人员的兴趣，即通过一种超材料来同时控制多个物理场。这样可以整合不同物理场中相同控制功能的设备，从而提升该设备的利用效率，节约资源。
3.目前针对热电双场隐身斗篷的研究局限于各向同性的圆形结构，由于圆形结构是几何各向同性的，因此并没有考虑外部物理场的方向性。然而，根据实际的应用领域，隐身斗篷的几何形状却并不局限于圆形。当热电双场隐身斗篷的几何形状为各向异性时，如何实现全方向的热电隐身便成为了一个待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是设计一种基于各向异性的几何形状且能够同时适用于热场和电场的全方向隐身斗篷。不管热流和电流的方向如何变化，该斗篷都能够阻止外部任意方向的热流和电流进入隐身区域，使该区域的温度和电势梯度为零，从而在没有扰动外部温度场和电场分布的情况下，达到全方向隐身的目的。热电双场隐身斗篷在航空航天等相关技术领域具有潜在的应用价值。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.本发明提供一种基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热-电隐身斗篷的设计方法，所述基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热-电隐身斗篷能够实现全方向的热电隐身功能，其由内至外分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；第一区域是实现隐身的区域，其为各向异性椭圆形，第二区域和第三区域形成隐身斗篷，第二区域和第三区域呈现空心椭圆形，第一区域、第二区域和第三区域组合形成共焦椭圆双层核壳结构，第一区域、第二区域和第三区域内的介质采用各向同性的材料，同时第二区域的介质为热电绝缘材料，第四区域是实现全方向的热电隐身功能的背景基质，在不同热流和电流方向下，背景基质的热导率和电导率和共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效热导率和等效电导率一致，使得无论外部温度梯度和电势梯度的方向如何改变，第一区域中的物体都不受外部热流和电流的侵扰，第一区域中的温度和电势保持一个定值。
7.优选的，第一区域和第三区域的各向同性材料可以是：铜，铝合金，镁合金，不锈钢，钨等等。第二区域的材料可以是：聚二甲基硅氧烷(pdms)。
8.本发明中，第四区域的背景基质中的介质是由各向同性的不同基体材料和不同半
径的圆形夹杂物构成。
9.本发明中，背景基质中，基体材料和不同半径的圆形夹杂物均采用各向同性的材料。优选的，第四区域的基体材料同第一区域和第三区域的选择；第四区域的圆形夹杂物的材料可以是：空气，pdms等。
10.本发明中，背景基质结构采用多层结构，其构建方法如下：
11.首先采用等效介质理论，将具有各向异性热导率和电导率的第四区域结构化为层状交替排列的多层结构，其中每一层的材料参数是各向同性且任意的；进一步针对每一层结构采用单粒子结构法，将其化为由基体和圆形夹杂物组成的新结构，基体和圆形夹杂物的材料是工业生产中已有的各向同性材料。进一步优选的，多层结构中，将奇数层任意的热导率定义为κ1，电导率定义为σ1，偶数层任意的热导率定义为κ2，电导率定义为σ2，奇数层和偶数层层状结构的基体部分的热导率分别为κ
基体1
，κ
基体2
，电导率分别为σ
基体1
，σ
基体2
，奇数层和偶数层层状结构的圆形夹杂物部分的热导率分别为κ
圆夹1
，κ
圆夹2
，电导率分别为σ
圆夹1
，σ
圆夹2
，应满足：κ
基体1
(κ
圆夹1
)《κ1《κ
圆夹1
(κ
基体1
),σ
基体1
(σ
圆夹1
)《σ1《σ
圆夹1
(σ
基体1
),κ
基体2 (κ
圆夹2
)《κ2《κ
圆夹2
(κ
基体2
),σ
基体2
(σ
圆夹2
)《σ2《σ
圆夹2
(σ
基体2
)。
12.本发明中，第三区域的几何参数通过参数优化的方法获取，优化控制条件为：通过设计优化该区域的几何参数使得将来在温度场下所求解的第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数和在电场下所求解的第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数相等，即要求第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数同时适用于热电双场。
13.本发明还提供一种上述的设计方法得到的全方向热-电隐身斗篷。
14.本发明首先基于中性夹杂的理论，在充分考虑了共焦椭圆双层核壳结构的几何各向异性后，理论求解出在不同热流和电流方向下的共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效热导率和等效电导率。为了满足热场和电场中的全方向隐身功能，背景基质的热导率和电导率需要和推导出的共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效材料参数保持一致，本发明采用不同基体材料和圆形夹杂物来构造各向异性的背景基质。与现有技术相比，本发明的有益效果为：
15.本发明的热-电隐身斗篷具有各向异性的几何形状，且同时适用于任何方向的温度场和电场。目前有关热电双场隐身功能的研究主要聚集在圆形核壳结构，此种结构具有各向同性的几何形状，因此无需考虑温度场和电场的方向。但是对于各向异性的几何形状，如果仍采用圆形结构的设计思想，便无法实现全方向的热电隐身功能，因此我们需要充分考虑装置的几何各向异性。在此基础上求出实现全方向隐身所需的材料参数。本发明能够实现基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热-电隐身功能，即当热流和电流沿着任意的方向传递时，该具有各向异性几何形状的隐身斗篷都能实现热电隐身功能。同时本发明的热电隐身斗篷在实现隐身功能时，不会扰动背景环境的温度场和电场分布。本发明将热电隐身斗篷的几何形状从各向同性的圆形拓展到了各向异性的共焦椭圆，且实现了全方向的热电隐身功能。热电全方向隐身功能在航空航天及军用战斗机反侦察上具有潜在的应用价值。
附图说明
16.图1为各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热电隐身斗篷的几何区域分布
图；图中，共焦椭圆核的热导率为κc电导率为σc，长短半轴几何尺寸为lc1和lc2。共焦椭圆内层壳的热导率为κs电导率为σs，长短半轴几何尺寸为ls1和ls2。共焦椭圆外层壳的热导率为κe电导率为σe，长短半轴几何尺寸为le1和le2。背景基质的热导率为κb电导率为σb。
17.图2为各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热电隐身斗篷的结构示意图。
18.图3为共焦椭圆双层核壳结构的全方向热电隐身斗篷工件图和对照组工件图。其中1 代表共焦椭圆核，2代表共焦椭圆内层壳，3代表共焦椭圆外层壳，4代表奇数层层状结构的圆形夹杂物，5代表偶数层层状结构的圆形夹杂物，6代表奇数层层状结构的基体材料， 7代表偶数层层状结构的基体材料。
19.图4为实施例1的各向异性双层共焦椭圆隐身斗篷和对照组在水平和垂直温度梯度方向下的温度场仿真结果分布图。
20.图5为实施例1的各向异性双层共焦椭圆隐身斗篷和对照组在水平和垂直电势梯度方向下的电场仿真结果分布图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
22.图1为各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热电隐身装置的几何区域分布图；图中，共焦椭圆核的热导率为κc电导率为σc，长短半轴几何尺寸为lc1和lc2。共焦椭圆内层壳的热导率为κs电导率为σs，长短半轴几何尺寸为ls1和ls2。共焦椭圆外层壳的热导率为κe电导率为σe，长短半轴几何尺寸为le1和le2。背景基质的热导率为κb电导率为σb。
23.图2为实施例中各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热电隐身斗篷的结构示意图。其中第一区域，第二区域和第三区域的材料取为316不锈钢，pdms和6061铝合金。温度梯度为273-293k，电势梯度为0-5v。第四区域是实现全方向的热电隐身功能的背景基质，在不同热流和电流方向下，背景基质的热导率和电导率和共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效热导率和等效电导率一致，使得无论外部温度梯度和电势梯度的方向如何改变，第一区域中的物体都不受外部热流和电流的侵扰，第一区域中的温度和电势保持一个定值。第四区域的背景基质的材料参数通过由各向同性材料制成的复合结构来实现，复合结构是由基体材料和具有不同孔径的圆形夹杂材料组成。复合结构构建的相关流程如下：
24.首先采用等效介质理论，将具有各向异性热导率和电导率的第四区域结构化为层状交替排列的多层结构，其中每一层的材料参数是各向同性且任意的，不易于工程的实现(这里将奇数层任意的热导率定义为κ1，电导率定义为σ1；偶数层任意的热导率定义为κ2，电导率定义为σ2)。我们进一步针对每一层结构采用单粒子结构法，将其化为由基体和圆形夹杂物组成的新结构，且基体和圆形夹杂物的材料是常见的各向同性普通材料。需要注意的是奇数层和偶数层层状结构的基体部分(κ
基体1
，κ
基体2
，σ
基体1
，σ
基体2
)和圆形夹杂物部分(κ
圆夹1
，κ
圆夹2
，σ
圆夹1
，σ
圆夹2
)的材料参数可以是任意的，但是需要满足κ
基体1
(κ
圆夹1
)《 κ1《κ
圆夹1
(κ
基体1
),σ
基体1
(σ
圆夹1
)《σ1《σ
圆夹1
(σ
基体1
),κ
基体2
(κ
圆夹2
)《κ2《κ
圆夹2
(κ
基体2
),σ
基体2 (σ
圆夹2
)《σ2《σ
圆夹2
(σ
基体2
)。奇数层和偶数层中的圆形夹杂物具有不同的孔径几何尺寸。
25.本发明中，对隐身斗篷的材料以及几何参数选用设定的方法如下：
26.一、材料参数
27.首先第一区域是实现隐身的区域，该区域的材料参数需要根据实际的应用需求来
选择，可以是任意的。第二区域的材料是热电绝缘材料，可以采用pdms。第三区域的材料选取也是任意的，例如可以选取不锈钢，铜，铝合金，镁合金等。第四区域的复合结构奇数层和偶数层的基体材料和圆形夹杂物材料选取也是任意的。考虑到不同材料拼接界面处可能存在的电阻，所以本发明复合结构奇数层和偶数层的基体材料选取和第三区域保持一致，但其从原理上是任意的。第四区域的复合结构奇数层和偶数层的圆形夹杂物选取为空气来简化工件制备流程节约成本。
28.二、几何参数
29.第一区域和第二区域的几何参数需要根据实际应用的需求来设计，可以是任意的。第三区域的几何参数需要通过参数优化的方法获取，优化控制条件为：通过设计优化该区域的几何参数使得将来在温度场下所求解的第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数和在电场下所求解的第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数相等；即通过设计优化该区域的几何参数使得将来所求解的第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数同时适用于热电双场。第四区域的奇数层和偶数层基体的宽度相等，根据已知的外边长，所分的层数越多越精确。第四区域的奇数层和偶数层圆形夹杂物的几何尺寸需要由各向异性的背景基质、奇数层和偶数层基体的宽度、奇数层和偶数层基体和圆形夹杂物的材料共同决定，即当已知这些参数时，便可以求解出奇数层和偶数层对应的圆形夹杂物的几何尺寸，该尺寸是同时适用于热电双场。
30.接下来将对该热电隐身斗篷装置进行实例分析。
31.实施例1
32.将共焦椭圆双层核壳结构置于背景基质中，分别施加水平和垂直两个方向的温度梯度和电势梯度，同时设立对照组(即将没有双层隐身斗篷包覆的椭圆核置于背景基质中)，以此来对比验证该隐身斗篷的全方向热电隐身功能。图3为共焦椭圆双层核壳结构的全方向热电隐身斗篷工件图[图3(b)]以及对照组[图3(a)]工件图。其中，背景基质是由36层交替排列的层状结构组成，奇数层和偶数层层状结构的基体部分都采用6061铝合金，奇数层和偶数层层状结构的圆形夹杂物部分都取为空气，需要注意的是奇数层和偶数层层状结构的基体部分和圆形夹杂物部分的材料参数可以是任意的。不同圆形夹杂物的孔径几何尺寸需要根据推导的各向异性的背景基质和层状结构每一层的宽度来确定。采用数值模拟的方法进行验证，相应的温度场和电场有限元仿真结果分别见图4和图5。分析可知：在没有隐身斗篷的对照组中，无论温度梯度是水平施加或垂直施加，椭圆核都引起了外部背景基质中的温度场扰动，且椭圆核内部存在温度梯度[见图4(a1),4(a2)]。当椭圆核被隐身斗篷包覆时，外部的温度场扰动便自动消除，且椭圆核内部的温度梯度变为零，等温线都绕过了中心的椭圆核[见图4(b1),4(b2)]。电场的模拟结果呈现出相同的变化趋势，即隐身斗篷的存在能够消除背景基质中的电场扰动，且使椭圆核内部的电势梯度变为零[见图5(b1), 5(b2)]。这样便实现了共焦椭圆双层隐身斗篷在热电双场中的全方向隐身功能。
[0033]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，例如更改背景基质中奇数层和偶数层多层结构的基体材料和圆形夹杂物材料参数，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范
围之内。