梯度多孔金属纤维载体的多尺度拓扑优化设计

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51875210
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0506.机械设计学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

As a novel micro catalyst support, gradient porous metal fiber structure (GPMFS) demonsrates obvious advantages when used in the on-board hydrogen supply system for fuel cell powered vehicle. However, currently GPMFS was designed by intuition, and there is lack of available design theories and methodologies to optimize its structure for hydrogen production performance enhancement, thus greatly limiting the further development of GPMFS. Regarding with the aperiodic and randomized fribrous porous structure, this project aims to investigating the multi-scale topology optimization design methodology for GPMFS, based on our previous studies. Firstly, the key statistic features of GPMFS will be characterized and utilized to drive the generation of the full-size digital model of GPMFS, based on the customization of optimal algorithms. Secondly, the 2-dimensional radom resistance network model will be extended for the 3-dimensional highly connected pore architecture of GPMFS, paving the way to establish a theoretical analysis method for the flow field uniformity inside GPMFS. On this basis, the correlation between the field uniformity and the hydrogen production performance of GPMFS will be revealed, and consequently the performance evaluation creation system based on the flow field uniformity will be established. Thirdly, a two-way information exchange mechanism between macro variables and micro variable distribution will be established, accelerating the development of the efficient multi-scale topology optimization methodology, constrained and controlled by the performance evaluation criterion, for GPMFS. Finally, the proposed methodology will be validated, fixed and improved based on experimental studies. Through multidiscipline theoretical research and experimental validation, it is expected that the project will also set the foundation of novel theories and methodologies for the multi-scale optimization of GPMFS, and facilitate the industrialization of fuel cell for vehicle power supply.
梯度多孔金属纤维结构是一种新型微催化反应载体(简称梯度纤维载体),在氢燃料电池汽车的移动制氢微反应器中显示出显著优势,但缺乏优化设计理论和技术,严重制约其进一步发展。针对该类非周期性随机纤维多孔结构,项目拟基于前期工作研究梯度纤维载体的多尺度拓扑优化设计方法。表征梯度纤维载体的统计特征,基于优化算法建立统计特征驱动的大尺度梯度纤维载体数字化建模方法;拓展随机电阻网络模型,形成载体内部流场均匀性分析的理论方法,揭示流场均匀性和载体制氢反应性能之间的关联规律,建立梯度纤维载体的性能评价标准体系;探索梯度纤维载体宏-微观物理量双向关联的信息交换机制,建立受性能评价标准约束和控制的高效梯度纤维载体多尺度拓扑优化设计方法;开展物理实验,验证、修正并完善提出的方法。通过多学科理论和实验分析,期望促进梯度纤维载体多尺度优化设计基础理论与技术的发展,以及车载氢燃料电池的工业化应用。

结项摘要

梯度多孔金属纤维结构是一种新型微催化反应载体(简称梯度纤维载体),在氢燃料电池汽车的移动制氢微反应器中显示出显著优势。但由于纤维随机分布,其内部三维孔隙结构错综复杂,其设计缺乏优化设计理论和技术的指导,致使其进一步发展受到严重制约。. 本项目围绕该类非周期性随机纤维多孔功能结构优化设计的迫切需求,以流场均匀性为目标,突破了梯度纤维载体的拓扑优化设计理论和技术。具体而言,项目通过对纤维载体等多孔功能结构的内部三维孔隙结构的核心参数进行统计分析,建立了其统计特征,并形成了三维流体通道的统计表征方法;考虑计算可行性,借鉴基尔霍夫电压和电流定律,基于统计特征,建立了等效随机电阻网络模型对纤维载体等多孔功能结构的内部孔隙结构进行简化,并实现了其中流场的快速求解;在此基础上,通过与已有性能实验结果进行关联分析,形成了面向纤维载体等多孔功能结构拓扑优化的性能评价指标构建方法;针对纤维载体等多孔功能结构不同的优化设计场景,结合可制造性,通过发展耦合参数的解耦优化策略、基于离散伴随敏度的形状优化和拓扑优化方法,突破了基于流速场均匀度指数等性能指标的纤维载体等多孔功能结构的优化设计理论和技术,包括参数优化、形状优化和拓扑优化;以此为基础,基于开源的科学计算可移植扩展工具包PETSc,以及ANSYS、MATLAB和COMSOL等商业软件,搭建了多种类型的纤维载体等多孔功能结构优化设计平台,并在高性能制氢系统的催化反应载体设计中进行了初步应用。项目的研究成果提升了多孔结构数字化建模的能力,有利于发展纤维载体等多孔功能结构优化设计的支撑性理论基础与创新技术,并促进其研制模式向基于性能驱动的“主动”模式转变。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
三周期极小曲面多孔材料渗透率尺度特性研究
  • DOI:
    10.16182/j.issn1004731x.joss.20-0966
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    系统仿真学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴桐;王清辉;徐志佳
  • 通讯作者:
    徐志佳
面向计算机辅助智能装配建模设计意图捕获的产品信息模型
  • DOI:
    10.1051/jnwpu/20224040892
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    西北工业大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    莫善聪;徐志佳;唐文斌
  • 通讯作者:
    唐文斌
Coupling control of pore size and spatial distribution in bone scaffolds based on a random strategy for additive manufacturing
基于增材制造随机策略的骨支架孔径和空间分布的耦合控制
  • DOI:
    10.1108/rpj-12-2017-0254
  • 发表时间:
    2019-07
  • 期刊:
    Rapid Prototyping Journal
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Jingrong Li;Zhijia Xu;Qinghui Wang;Guanghua Hu;Yingjun Wang
  • 通讯作者:
    Yingjun Wang
Optimization of the coupling groove parameters of composite porous vapor chamber
复合材料多孔均热板耦合槽参数优化
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2021.118007
  • 发表时间:
    2022-01-18
  • 期刊:
    APPLIED THERMAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Wang, Qing-Hui;Wu, Zhan-Hui;Deng, Da-Xiang
  • 通讯作者:
    Deng, Da-Xiang
Numerical analysis on the thermal hydraulic performance of a composite porous vapor chamber with uniform radial grooves
均匀径向凹槽复合材料多孔均热板热工水力性能数值分析
  • DOI:
    10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118458
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    International Journal of Heat and Mass Transfer
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Qing-Hui Wang;Hao Zhao;Zhi-Jia Xu;Jing-Rong Li;Da-Xiang Deng
  • 通讯作者:
    Da-Xiang Deng

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其他文献

多孔金属纤维烧结板多尺度形貌的快速三维建模
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    软件学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    徐志佳;王清辉;李静蓉
  • 通讯作者:
    李静蓉
基于结构预映射的产品建模
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    徐志佳;王清辉;李静蓉
  • 通讯作者:
    李静蓉
多孔金属纤维微观建模及孔隙渗透特性研究(下)
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    现代制造工程
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李卓;王清辉;徐志佳
  • 通讯作者:
    徐志佳
多孔金属纤维微观建模及孔隙渗透特性研究(上)
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    现代制造工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李卓;王清辉;徐志佳
  • 通讯作者:
    徐志佳
基于装配特征偶的设计意图建模方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    徐志佳;王清辉;王清辉
  • 通讯作者:
    王清辉

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徐志佳的其他基金

基于周期曲面的异构多孔功能结构跨尺度数字化特征建模
  • 批准号:
    51505152
  • 批准年份:
    2015
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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