面向高效制氢的多尺度表面功能结构主动设计与制造的理论研究

本项目针对金属表面功能结构的主动设计与制造这个微制造领域亟待解决的问题，瞄准燃料电池汽车对高性能制氢微反应器的紧迫需求，以车载制氢微通道反应器为产品对象，针对其核心的多尺度微反应功能结构，集合对非完全约束条件下的微亚结构成形机理研究、多尺度表面功能结构的统一数学建模、分形理论、以及微反应功能结构性能评价与优化等多学科交叉，开展金属表面功能结构的主动设计与制造理论研究。在解决高性能制氢微通道结构设计与制造难题的同时，为金属表面功能结构的主动设计与制造奠定理论基础。

本项目研究针对犁削、拉削、挤压等多种工艺成形的鳞刺微沟槽表面功能结构，研究了典型形貌结构的多尺度表征与数字化建模理论，基于所建立的多尺度数字化模型开展了功能耦合仿真研究。在理论方面，提出了基于分形几何与CAGD（计算机辅助几何设计）模型集成表示的表面功能结构多尺度形貌建模的理论与技术方法。该研究成果针对表面功能结构的数字化设计需求，基于机械加工表面微观形貌中存在的自仿射分形特性，提出了将Weierstrass-Mandelbrot分形（简称W-M分形）与宏观的CAD实体模型相合成的数学方法；并进一步针对微犁切曲面形貌的各向异性分布特征，提出了两向异性W-M分形曲面的数学建模方法，实现了在参数曲面生成两向异性W-M分形插值模拟；并就自由曲面的分形插值、分形微观形貌的可视化等问题提出了解决方案;开发的专用软件FractalSurf，能够将宏观的参数曲面/离散曲面与微观分形形貌相合成，并能够有效描述分形形貌中与制造工艺相关的各项异性特征，从而能够基于宏微统一的方法精确描述一系列典型的功能表面;能够支持微通道表面功能结构的多尺度形貌建模。在此基础上，实现了微犁切、拉削、挤压成等表面功能结构多尺度形貌的有效描述以及各向异性形貌特征的表征；研究了加工工艺参数集对表面功能结构形貌特征的影响规律；以微通道反应器中的微流体特性为实验研究对象，分析了多项表面形貌特征对流动特性的影响，为进一步开展微通道表面功能结构的设计与制造提供理论与实验基础。