《Aerospace》：Design of Hollow Spiral Lattice Architectures for Integrated Thermal and Mechanical Performance in Additive Manufacturing
Shaoying Li,
Qidong Sun,
Yu Pang,
Yongli Zhang,
Guangzhi Nan,
Yingchao Ma,
Jiawen Chen,
Bin Sun and
Jiang Li
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本文为航空航天等领域对轻量化结构与高效热管理协同优化的迫切需求，提出了创新的参数化空心螺旋晶格(HSL)结构。研究团队通过解析建模、计算模拟与激光粉末床熔融(LPBF)实验，系统揭示了该结构在诱导迪恩涡、强化传热、提升比强度/比刚度方面的卓越性能，为下一代热-力一体化功能结构提供了创新的设计范式。
随着航空航天、能源动力等前沿工程领域不断追求更高的功率密度和更极端的服役环境，一个“甜蜜的烦恼”也随之而来：设备越来越强大，但产生的热量也越来越多，对支撑结构的轻量化要求也越来越苛刻。传统的解决思路往往“各自为政”——让承力的结构部件和散热的流体通道分开设计、独立工作。这就像是给一个需要长途奔跑的运动员，一边穿上厚重的铠甲（结构件），一边又绑上复杂的冷却水管（散热系统），结果必然是臃肿不堪、行动笨拙。这种“分离式”的设计范式导致了材料冗余、系统刚度下降，难以满足现代装备对紧凑、高效、高集成的迫切需求。那么，能否设计出一种“文武双全”的材料结构，它既能像骨骼一样坚固轻巧地承载载荷，又能像血管一样高效地引导流体、带走热量，实现“一身兼两职”呢？
为了回答这个挑战，一项发表在《Aerospace》期刊上的研究提出了一种极具巧思的解决方案：一种专为增材制造(AM)设计的参数化空心螺旋晶格(HSL)结构。该研究由Shaoying Li, Qidong Sun, Yu Pang, Yongli Zhang, Guangzhi Nan, Yingchao Ma, Jiawen Chen, Bin Sun 和 Jiang Li合作完成。他们设想并实现了一种新型的多孔拓扑结构，其核心单元由两根右旋和两根左旋的螺旋“骨架”交织而成，如同自然界中藤蔓的优雅缠绕。这个“骨架”本身是空心的管道，从而将连续流畅的流体通道与结构的承载能力完美地集成在一起。
研究人员为开展这项研究，综合运用了多项关键技术方法。首先，他们建立了关联螺旋半径(r)、螺旋角(α)、管道内外径(din/dout)与结构相对密度(ρ)的解析模型，用于指导设计。其次，考虑到激光粉末床熔融(LPBF)的工艺约束，开发了自适应参数化设计框架，以同步优化几何形状、相对密度和工艺可行性。接着，他们使用LPBF技术成功制备了Ti6Al4V合金的HSL样品。最后，通过计算流体动力学(CFD)模拟、有限元分析(FEA)和准静态压缩实验，系统地评估了这些样品的流-热-力耦合性能。
研究结果主要包含以下几个方面：
1. 设计、分析与制备
研究首先从圆柱螺旋线的数学模型出发，构建了四螺旋对称的HSL单胞，以克服单螺旋结构的不对称性和阵列化难题。通过布尔运算生成薄壁空心螺旋管晶格，并建立了几何参数与相对密度的精确解析关系，为逆向设计提供了快速预测工具。针对LPBF工艺，明确了最小可打印壁厚(约0.3mm)和悬垂角(建议≥45°)等关键制造约束，确保了设计的可实施性。最终，使用LPBF成功制备了不同内径(1mm, 2mm, 3mm)的Ti6Al4V合金HSL样品。
2. 流动与传热特性
通过CFD模拟分析了HSL在内部流动以及内-外联合流动条件下的热性能。研究发现，螺旋几何诱导的离心力产生了显著的“迪恩涡”(Dean Vortices)。这种二次流效应极大地增强了中心主流与近壁流体之间的动量和能量交换，从而显著改善了径向混合，促进了温度均匀性，并有效抑制了局部热点。这表明HSL结构本身就是一个高效的被动式强化传热器。
3. 机械性能
通过FEA模拟和准静态压缩实验评估了HSL的力学行为。在力学性能上，HSL表现出了远超传统体心立方(BCC)和金刚石(Diamond)点阵的比强度和比刚度，其性能甚至逼近立方(Cubic)拓扑，展现了出色的轻质承载潜力。这意味着在同等重量下，HSL结构能承受更大的力或发生更小的变形。
4. 热-力耦合性能讨论
研究对HSL的综合优势进行了深入讨论。其成功的关键在于将螺旋流道在流体控制方面的优势（低流阻、抗堵塞、高效混合）与空心晶格在承载方面的潜力进行了协同融合。螺旋的连续光滑 curvature 避免了传统桁架点阵中锐利连接处的流动分离和压力损失，而中空设计则在保证强度的同时实现了轻量化和内置流道。这种“拓扑-机制-性能”的协同设计，标志着点阵结构从单一的力学或热学功能元件，向真正的热-力一体化多功能元件的演进。
结论与意义
本研究成功设计、制备并验证了一种新型的空心螺旋晶格(HSL)结构。主要结论如下：1) 该结构能有效诱导迪恩涡，强化径向混合与传热，提升温度均匀性；2) 在机械性能上，其比强度、比刚度显著优于传统BCC和Diamond点阵，具备优异的轻量化承载潜力；3) 所建立的参数化设计与分析模型，以及考虑的LPBF工艺约束，为这类复杂结构的可控制备提供了完整框架。
这项工作的意义深远。它不仅仅提出了一种新的点阵构型，更重要的是展示了一种融合“螺旋流道”与“承载晶格”两大优势的创新设计范式，为解决工程中长期存在的轻量化结构与高效热管理难以协同的瓶颈问题提供了全新的思路。所开发的HSL结构在航空航天热端部件、高效紧凑换热器、轻质承载散热一体部件等领域具有广阔的应用前景，为下一代高性能、多功能、可定制的热-力一体化超材料设计指明了方向。
