[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

说明书

本发明公开了一种对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法，包括散热冷板出入口几何尺寸及物理场参数的确定；以散热冷板表面平均温度与流体流动耗散功为加权目标；以体积约束与设计变量约束的拓扑优化模型的建立；二维拓扑优化模型的求解；对拓扑优化结果中流体与固体边界的提取；对拓扑边界的拟合与参数化；二维形状优化模型的求解；三维冷板及其流道模型的建立；冷板表面平均温度的计算。本发明能够合理考虑拓扑优化设计散热冷板流道时存在的缺陷并通过二次形状优化实现了散热冷板散热性能进一步提高，同时改善了温度分布，对指导电子设备的散热冷板设计有重要的意义。

技术领域

本发明属于电子设备领域，具体涉及结合拓扑优化与形状优化方法对电子设备散热冷板流道的设计，可用于指导高功率电子设备散热的冷板设计。

背景技术

随着目前电子装备集成化程度越来越高，高功耗的问题日趋严重，因此电子装备结构设计的散热分析成为必不可少的研究内容。例如航空航天、天线雷达、能源动力、电气电子等领域的散热设计。据统计，有超过55％电子装备的失效形式主要是温度过高导致的。因此，为了保证电子装备工作的可靠性与稳定性，提高其使用寿命，发展新型高效的散热技术成为迫切的需求。

在散热冷板的设计中，传统设计方法比较直观，设计也比较灵活。然而存在随机性、设计周期不定、设计结果不一定为最佳等缺点。利用拓扑优化理论解决散热冷板问题，相对于传统的设计方法，能够找到最佳的散热路径，从而最大程度地提高散热效率，但目前也存在许多问题。首先，大部分散热冷板设计所采用的方法为变密度法(SIMP)，因此中间值问题不可避免。此外，拓扑优化理论在设计初始时，需要输入较多的变量，如各项系数惩罚因子、达西值、权重及设计变量初始值等。不同的取值将会得到不同的结果，这也是拓扑优化数值不稳定的主要原因。最关键的是，拓扑优化理论并未考虑分析过程中的边界问题。如拓扑优化分析纯热传导问题时，并未考虑固体与空气介质接触表面的传热系数；分析共轭传热问题，也并未考虑流体与固体边界的具体特征，如有无滑移边界条件。特别是对于湍流模型。如果考虑加工，由拓扑优化直接得到的流固边界并不利于加工制造，往往需要对其进行后处理。然而，这通常也会导致偏差增大。

发明内容

因此，为了抑制边界偏差对优化结果的影响，本发明提供一种对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法。该方法能够合理地结合拓扑优化理论与形状优化方法，通过对拓扑边界二次形状优化，进一步降低误差对结果的影响，更大程度地利用拓扑结果，改善散热冷板的温度分布，使最终生产利用的冷板散热效果达到最佳。本发明并不仅局限于分析共轭传热问题，也可用于设计纯固体导热的结构。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法，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；

(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；