[发明专利]基于仿生原理的结构散热通道布局优化设计方法

摘要

本发明涉及一种基于仿生原理的结构散热通道布局优化设计方法，其步骤：首先根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的几何模型，再根据实际工况，对结构施加热源、热边界条件，进行有限元热分析，得到每个单元的热耗散；采用散热通道布局优化设计数学模型，根据自然界分枝系统成长的机理，即分枝总是沿着使整个系统功能最优的方向和速度成长，散热通道的截面积反复进行更新，直至成长了的散热通道总体积达到预定的总体积上限qV0。通过本发明的优化设计方法使散热通道布局合理，能提高散热效率。与传统散热通道布局采用的经验设计和类比设计相比，可以实现复杂热边界条件下的最优布局。

主权项

一种基于仿生原理的结构散热通道布局优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)首先根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的几何模型，该几何模型由具有低导热系数的基底区域和高导热材料构成的初始散热通道组成，将优化设计的基底区域以4节点四边形板壳单元离散,用2节点杆单元，将四边形单元节点两两相联，构成初始散热通道，并赋予其高导热系数；2)根据实际工况，对结构施加热源、热边界条件，进行有限元热分析，得到每个单元的热耗散；3)以式(1)为散热通道布局优化设计数学模型，findx=(x1,x2,...xi)minE=TTPs.t.V=Σi=1nxivi≤qV0P=kTxmin≤xi≤xmax---(1)]]>式中，x为设计变量；E是结构的散热弱度；T为各节点温度的矢量；P为节点热载荷矢量；V为优化后的体积；n为单元总数；vi为第i个单元的体积；q为体积约束因子；V0为设计域初始体积；4)根据自然界分枝系统成长的机理，即分枝总是沿着使整个系统功能最优的方向和速度成长，散热通道的截面积按照(2)式和(3)式进行更新；首先由(2)式计算得到xiz+1的值，再由(3)式根据xiz+1的值，更新散热通道的截面积Aiz+1。xiz+1=xmin(Di)αxiz≤xminxiz+1=(Di)αxizxmin≤(Di)αxiz≤xmaxxiz+1=xmax(Di)αxiz≥xmax---(2)]]>Aiz+1=(Amax-Amin)(xiz+1)p+Amin---(3)]]>式中，i表示第i个离散单元；xmax和xmin分别是中间变量上下限值；z是迭代次数；α是阻尼系数，可保证在数值迭代过程中，计算的稳定性；Di由(4)式计算得到：Di=2priβ1xi(ci-1ci)---(4)]]>式中，p是插值模型的惩罚系数；r是单元热耗散；c是单元导热系数与给定最小导热系数的比值；β1为拉格朗日乘子；5)采用步骤4)反复进行散热通道截面积更新，直至成长了的散热通道总体积达到预定的总体积上限qV0。