一种联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法

技术特征：

1.一种联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：结合电子设备散热需求与允许的热沉设计空间创建拓扑优化设计域并离散为有限元网格模型，结合热沉结构散热性能指标设置所需的目标函数、约束条件、设计变量及其初始值，设置拓扑优化迭代过程收敛条件；

步骤2：对设计变量场进行密度过滤与投影，以控制最终优化结构的最小尺寸、消除网格依赖性并获得清晰光滑的结构轮廓；

步骤3：采用流体传热有限元方法进行仿真计算，将整个设计域视作流体域，其中固体材料属性与流体属性通过插值模型进行区分与控制：当设计变量为1时对应固体材料，设计变量为0时对应流体材料；

步骤4：根据步骤3的仿真结果计算目标函数与其对设计变量的灵敏度；

步骤5：根据步骤4得到的灵敏度，利用优化求解器更新设计变量；

步骤6：判断迭代是否满足步骤1所设置的收敛条件，若已收敛，迭代结束，执行步骤7；否则重复步骤2至步骤6；

步骤7：提取拓扑优化最优结构，通过设置合适的设计变量值，提取步骤5中设计变量的等值线或等值面，获得拓扑优化热沉结构；

步骤8：基于步骤7的拓扑优化热沉结构，构建新的形状优化设计域并将其离散为有限元网格模型，设置需优化的边界为可自由变化边界，并设置其可允许的空间变化位置范围，目标函数、约束条件及收敛条件同步骤1中保持一致；

步骤9：使用过滤模型对边界空间位置进行过滤；

步骤10：采用流固共轭传热的有限元方法对模型进行仿真计算；

步骤11：根据步骤10中的仿真数据计算目标函数及其对可自由移动边界位置的灵敏度；

步骤12：根据步骤11的灵敏度结果，利用优化求解器调整自由移动边界的空间位置，得到更新后的结构；

步骤13：根据步骤8设定的收敛条件，判断步骤12中得到的结果是否满足收敛条件，若已达到收敛条件，形状优化迭代结束，执行步骤14；否则重复步骤9至步骤13；

步骤14：输出步骤12更新后的结构，得到可制造的最优热沉结构。

2.如权利要求1所述联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，步骤1中目标函数的优化目标包括最小化最高温度、最小化热沉整体热阻、最小化热源面温度差、最小化热源面平均温度、最大化对流换热效率、最小化整体热柔顺度、最小化强制对流时的微泵功率和最小化强制对流时的压降；

步骤1中约束条件包括总体传热量约束、强制对流时微泵功率或压降约束、总体固体质量或体积占比约束。

3.如权利要求1所述联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，步骤1和步骤8中，设定的优化收敛条件为：

其中，γk表示当前迭代步得到的设计变量，γk-1表示上一次迭代步得到的设计变量，tol值的选取应平衡计算时间与优化效果。

4.如权利要求1所述联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，步骤2与步骤9采用下式进行设计变量的过滤：

其中，rmin为过滤半径，即预期最小结构尺寸，γ为设计变量，为过滤后的设计变量。

5.如权利要求1所述联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，步骤2中，采用下式对过滤后的设计变量进行投影：

其中，为投影后的设计变量，β控制投影函数斜率，γβ为投影点。

6.如权利要求1所述联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，步骤3中，针对传热控制方程中的等效热导率与流体流动控制方程中的反渗透系数进行材料属性插值以区分固体与流体属性，采用的材料插值模型包括simp插值模型和ramp插值模型。

7.如权利要求1所述联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，步骤4和步骤11中，灵敏度的计算方法包括伴随法。

8.如权利要求1所述联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，其特征是，步骤5与步骤12中，优化求解器选用梯度求解器，包括snopt求解器、mma求解器、gcmma求解器以及ipopt求解器。

技术总结
本发明涉及热能工程技术，具体涉及一种联合拓扑优化与形状优化的热沉结构设计方法，使用变密度拓扑优化方法构建拓扑优化模型，其包含设计域、边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，通过流固共轭传热有限元仿真方法计算目标函数及其对设计变量的灵敏度并据此更新设计变量场，最终获得流固共轭传热下最优拓扑结构；通过提取拓扑结构并以此构建形状优化设计模型，接着同样在流固共轭传热有限元仿真方法基础上，对结构边界形状进行进一步优化，提升热沉流动传热性能，最终得到满足电子器件散热需求的最优热沉结构。通过引入形状优化方法消除了基于变密度法拓扑优化结果中灰度单元对最终热沉优化结构的影响，提升了热沉流动传热性能。

技术研发人员：李辉;黄贻苍;申胜男;杜济安
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2021.03.16
技术公布日：2021.06.15