一种对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Quadratic Shape Optimal Design Method for Topological Boundary of Cooling Plate

The invention discloses a quadratic shape optimization design method for the topological boundary of the cooling plate, including the determination of the geometric size and physical field parameters of the cooling plate entrance and exit; the weighting objective of the average temperature of the cooling plate surface and the dissipated power of fluid flow; the establishment of a topological optimization model with volume constraints and design variables constraints; the solution of a two-dimensional topological optimization model; and the topological optimization. The results include the extraction of fluid and solid boundary, the fitting and parameterization of topological boundary, the solution of two-dimensional shape optimization model, the establishment of three-dimensional cold plate and its runner model, and the calculation of average surface temperature of cold plate. The invention can reasonably consider the defects existing in the flow passage of the heat sink plate in the topological optimization design and further improve the heat sink performance of the heat sink plate through the quadratic shape optimization, at the same time improve the temperature distribution, which is of great significance for guiding the design of the heat sink plate of the electronic equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法
本专利技术属于电子设备领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
因此，为了抑制边界偏差对优化结果的影响，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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；(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。进一步，步骤(2)中，所述散热冷板出入口处的几何尺寸参数包括入口直径Rin、出口直径Rout；所述流速与压力大小包括入口速度vin和出口压力Pout；所述平均温度大小包括入口温度Tin；所述液体运输工质的参数包括导热率kf、流体的定压比热容CP和流体密度ρ。进一步，所述步骤(3)中，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，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；Ωd为设计域；γ为设计变量；k(γ)为导热系数；▽T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：FindγMinimizeF0Subjecttoρ(γ)(u·▽u)＝-▽P+▽·{η[▽u+(▽u)T]}-α(γ)u,▽·u＝0,ρ(γ)CP(γ)(u·▽T)＝▽·[k(γ)▽T]+Q,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；AD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。进一步，所述步骤(5)中，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，其步骤如下：(5a)根据获得散热冷板流道的拓扑形状，对其进行滤波处理，并输出结果，此处设计变量γ按照以下方式滤波：(5b)根据步骤(5a)所得的拓扑边界，在CAD软件中用三次样条曲线对拓扑边界进行拟合，获得光滑平缓的流固边界；(5c)根据步骤(5b)所拟合的流固边界，对每个封闭边界分段，并在COMSOL软件中利用三次贝塞尔曲线进行参数化处理，获得各曲线段的控制点位置，此处获取每段参数化曲线控制点位置的数值模型为：Findb1,b2Minimizesubjectto0＜tξ＜1.其中，bi为控制点位置向量，i＝0,1,2,3；σ为参数化过程中的拟合误差；F(x)为三次样条曲线函数；x(t)和y(t)分别为横纵坐标关于参数t的函数，为三次贝塞尔曲线函数；N为将区间t∈[0,1]的等分数，t被离散为0,1,...,ξ,...,N个点，ξ∈[1,2,...,N-1]为函数F[x(t)]和y(t)的同一横坐标点或纵坐标点。进一步，所述步骤(6)中，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，获得设计域的温度分布，包括步骤如下：(6a)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(6b)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，建立拓扑优化后处理的有限元模本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；(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；(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。...

【技术特征摘要】
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；(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；(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。2.根据权利要求1所述的对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述散热冷板出入口处的几何尺寸参数包括入口直径Rin、出口直径Rout；所述流速与压力大小包括入口速度vin和出口压力Pout；所述平均温度大小包括入口温度Tin；所述液体运输工质的参数包括导热率kf、流体的定压比热容CP和流体密度ρ。3.根据权利要求2所述的对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，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，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；Ωd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：FindγMinimizeF00≤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；AD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.根据权利要求1所述的对散热冷板拓扑边界二次形状优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，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，其步骤如下：(5a)根据获得散热冷板流道的拓扑形状，对其进行滤波处理，并输出结果，此处设计变量γ按照以下方式滤波：(5b)根据步骤(5a)所得的拓扑边界，在CAD软件中用三次样条曲线对拓扑边界进行拟合，获得光滑平缓的流固边界；(5c)根据步骤(5b)所拟合的流固边界，对每个封闭边界分段，并在COMSOL软件中利用三次贝塞尔曲线进行参数化处理，获得各曲线段的控制点位置，此处获取每段参数化曲线控制点位置的数值模型为：Findb1,b2subjectto0＜t...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，田锡威，张烁，钱思浩，王艳军，陈金彪，康佳美，周亚田，刘永磊，段宝岩，王从思，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61