[发明专利]一种对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法

权利要求书

1.一种对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据现场电子设备的配置状况，确定功率器件的表面热电流密度和散热冷板的外形尺寸参数；

(2)根据冷却设备参数，确定散热冷板出入口处的几何尺寸参数、流速与压力大小、入口处的热通量或平均温度大小，以及确定液体运输工质的材料属性；

(3)根据已确定的散热冷板几何尺寸，构建目标函数与优化准则，施加边界条件，建立散热冷板拓扑优化模型；

所述步骤(3)中，包括如下步骤：

(3a)根据散热冷板要求，构建目标函数F₀，此处以表面最小平均温度与流道系统中流动最小能量耗散为目标函数：

F₀＝w₁log(A)+w₂log(B)

其中，A表示设计域的平均温度，B表示流道系统内流体流动造成的能量耗散，w₁与w₂分别对应表示A和B的权重大小；Ω_d为设计域；γ为设计变量；k(γ)为导热系数；表示温度梯度；u表示流体速度场；η为流体的动力粘度系数；α(γ)为反渗透系数；x为空间直角坐标；i，j分别为不同坐标向量；

(3b)根据步骤(3a)建立的目标函数，建立拓扑优化准则：

Findγ

Minimize F₀

Subject to

0≤γ≤1.

其中，P为流体压力场；Q为发热功率；ε为流体所占设计域的百分比；A_D是设计域的面积；

(3c)根据功率器件的空间分布与发热功率，确定拓扑优化模型中热源位置、发热面积与发热功率；其中功率器件与散热冷板的接触面积为发热面积，由发热面积A₀和器件功率P₀得到发热功率

(3d)根据散热冷板的几何尺寸参数，同时施加流体物理场与其余热物理场的边界条件，建立散热冷板拓扑优化模型；

(4)根据拓扑优化模型，进行网格剖分；采用移动渐进算法MMA，进而获得散热冷板流道的拓扑形状；

(5)根据所获得的拓扑形状，进行滤波处理，获得拓扑边界；采用样条曲线与贝塞尔曲线对拓扑边界分别进行拟合与参数化，获得参数化后贝塞尔曲线的控制点位置；

(6)根据拟合与参数化后的曲线，建立拓扑优化后处理的有限元模型，进行网格剖分，进而获得设计域的温度分布；

(7)根据拟合与参数化后的曲线，构建目标函数与优化准则，施加边界条件，建立散热冷板形状优化模型；

所述步骤(7)中，根据拟合与参数化后的曲线，构建目标函数与优化准则，施加边界条件，建立散热冷板形状优化模型，包括步骤如下：

(7a)根据散热冷板要求，建立目标函数，此处以平均温度最小为目标函数，如下式所示：

其中，V为设计域体积，T为温度，为平均温度，Ω_d为设计域；

(7b)根据步骤(7a)建立的目标函数，建立形状优化准则：

Findβ

Minimize G₀

Subject to b_min＜b_i＜b_max

b_ix＜b_(i+1)x or b_iy＜b_(i+1)y…

D₀≤D≤D_max

其中，β＝{b₀,b₁,...,b_i,...b_3L-1}^T为某一封闭边界用贝塞尔曲线参数化后的控制点位置向量，L为边界被划分后的曲线段段数；b_i为控制点位置，i＝0,1,...,3L-1；b_min与b_max为控制点位置的上下界；b_ix与b_iy分别表示关于横坐标与纵坐标的参数方程；D为边界所围固体面积，D₀为初始固体面积，D_max为固体面积的上界；

(7c)根据功率器件的空间分布与发热功率，确定拓扑优化模型中热源位置、发热面积与发热功率；其中功率器件与散热冷板的接触面积为发热面积，由发热面积A₀和器件功率P₀得到发热功率

(7d)根据散热冷板的几何尺寸参数，同时施加流体物理场与其余热物理场的边界条件，建立散热冷板形状优化模型；

(8)根据形状优化模型，进行网格剖分；采用线性近似约束优化算法COBYLA优化控制点位置，获得散热冷板流道最优的流固边界；

(9)根据形状优化模型获得的流固边界和散热冷板的外形尺寸参数，参考散热冷板的空间几何尺寸参数，建立散热冷板的三维几何模型；

(10)根据散热冷板的三维几何模型，施加边界条件，建立散热冷板的有限元模型；

(11)根据散热冷板的有限元模型，采用COMSOL软件进行分析并获得散热冷板表面的温度分布；

(12)根据散热冷板表面的温度分布，计算其表面的平均温度，同时参考最高温度，判断散热冷板表面的温度分布是否满足要求，若满足，则输出方案数据；否则修改流道可变边界条件，重复步骤(4)～(11)，直至满足要求。