基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法和系统，其中，该方法包括：获取设计对象的设计区域，对设计区域进行网格划分；获取设计变量及其初始值、设计参数和约束条件，基于SIMP建立导热材料数学模型；基于上述模型建立设计对象的单元导热矩阵和整体导热矩阵；基于上述矩阵建立散热结构拓扑设计模型；计算目标函数的灵敏度，分析设计变量的灵敏度；基于目标函数和设计变量的灵敏度计算目标函数；在目标函数符合收敛条件时得到设计对象的最优拓扑结构。本申请基于变密度法中的SIMP模型对功率器件进行散热结构拓扑优化，避免传统设计方法的缺陷，耗时少，成本低，具有较好的数值稳定性和可行性，提高产品设计的效率，加快产品设计的周期。加快产品设计的周期。加快产品设计的周期。

【技术实现步骤摘要】
基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法和系统


[0001]本专利技术涉及电子设备热设计
，具体而言，涉及一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法和系统。

技术介绍

[0002]功率器件是电子设备中的关键器件，发热量大，其热设计的好坏直接影响系统的可靠性。
[0003]随着科技的发展和时代的进步，电子器件的功率密度变得越来越高，散热性能要求越来越高，传统散热结构的设计，一般通过传热学基本知识和工程实践经验来完成。这种方法难以实现复杂散热结构的设计。传统的结构设计方法已不能满足实际工程对热防护结构的高性能需求，拓扑优化设计技术的发展为电子设备热防护结构的设计带来了一条新的途径。目前，常用的拓扑优化设计方法主要有：均匀化方法、变密度方法、变厚度方法、渐进结构优化方法、独立连续映射方法等。在散热结构优化设计方面，以二维结构的研究居多，较少涉及三维结构优化设计，也鲜有研究将变密度方法应用于散热结构拓扑优化设计中。变密度法是由均匀化方法发展而来的，它是以区间[0，1]内的密度值作为设计变量，人为地假定设计变量(单元密度)和材料物理属性(如许用应力、弹性模量等)之间存在某种对应关系，并采用连续变量的密度函数形式来显式地表达这种对应关系。变密度法的实质是将拓扑设计变量依附于单元材料，有利于基于连续变量的优化算法。变密度法中经典的插值模型有：固体各向同性微结构惩罚模型(Solid Isotropic Microstructures with Penalization，简称SIMP)等。
[0004]因此，如何提出一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑优化设计的方案成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的第一方面提出了一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法。
[0006]本专利技术的第二方面还提出了一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计系统。
[0007]本专利技术的第三方面还提出了一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计系统。
[0008]本专利技术的第四方面还提出了一种可读存储介质。
[0009]有鉴于此，本专利技术第一方面提出了一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法，包括：获取设计对象的设计区域，以对设计区域进行网格划分；获取设计变量及其初始值、设计参数和约束条件，以基于SIMP建立导热材料数学模型；基于导热材料数学模型进行功率器件散热结构拓扑设计，其具体包括：基于导热材料数学模型建立设计对象的单元导热矩阵和整体导热矩阵；基于单元导热矩阵和整体导热矩阵建立散热结构拓扑设计模型；计算目标函数的灵敏度，以对设计变量的灵敏度进行分析；基于目标函数的灵敏度和设计变量的灵敏度计算目标函数；判断目标函数是否符合收敛条件；在目标函数符合收敛条件
时，得到最优设计变量；基于最优设计变量得到设计对象的最优拓扑结构。
[0010]根据本专利技术提供的基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法，通过对设计对象的设计区域进行获取，以对要进行结构设计的区域进行划分，进而对设计区域进行网格划分，以将设计区域划分为各个单元，以便于基于SIMP进行功率器件的散热结构进行设计。而后对设计变量进行确定，并获取设计变量的初始值，通过对设计变量赋予初始值，以便于后续进行优化计算，与此同时，对设计变量和约束条件进行获取，为导热材料数学模型的建立提供数据基础，而在建立出导热材料数学模型后，建立出经过网格划分后的各个单元的单元导热矩阵，并建立整体导热矩阵，以便于基于其进行散热结构拓扑设计模型的建立，在建立出散热解耦股拓扑设计模型之后，对目标函数的灵敏度进行计算，其中，目标函数为温度方差，在得到了目标函数的灵敏度公式之后，基于该公式对设计变量的灵敏度进行分析，进而基于上述灵敏度计算出目标函数，进而对目标函数是否收敛进行判断，若收敛则得到最优设计变量，以此能够根据灵敏度判断设计变量以及设计参数的变化对温度的影响，进而根据其对温度的影响程度选定设计参数和设计变量的数值，以此得到功率器件的散热优化结构。本申请基于变密度法中的SIMP模型对功率器件进行散热结构拓扑优化，为功率器件的散热结构设计提供一种优化效率高，程序实现简单的设计方法。该方法可以避免传统经验设计方法所带来的缺陷，耗时更少，成本更低，具有较好的数值稳定性和可行性，提高了产品设计的效率，加快产品设计的周期。
[0011]另外，本专利技术提供的上述技术方案中的基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法还可以具有如下附加技术特征：
[0012]在上述技术方案中，获取设计对象的设计区域，以对设计区域进行网格划分的步骤具体包括：获取设计对象的设计区域；获取单元属性、边界单元的大小和数目；对设计区域进行网格划分，以将设计区域划分为各个单元；其中，单元属性包括单元的类型、单元的实常数、单元的材料性质、单元形成时所在的坐标。
[0013]在该技术方案中，在获取设计对象的设计区域之后，对要进行网格划分的单元属性进行获取，具体的，获取单元的类型、单元的实常数、单元的材料性质、单元形成时所在的坐标，进而对边界单元的大小和数目进行获取，在获取了上述数据之后开始对设计区域进行网格划分，以便于基于SIMP模型进行功率器件的散热结构拓扑优化。
[0014]在上述技术方案中，在获取设计对象的设计区域，以对设计区域进行网格划分之后，还包括：计算当所有单元的相对密度值设定为1时的单元刚度矩阵，以供基于SIMP建立导热材料数学模型。
[0015]在该技术方案中，在对设计区域进行网格划分之后，对所有单元的单元刚度矩阵进行计算，并将所有单元的相对密度值设定为1，以供基于SIMP建立导热材料数学模型。其中，单元刚度矩阵(element stiffness matrix)是计算固体力学中利用有限元方法计算的重要一个重要的系数矩阵。在对有限单元体的力学分析中，表征单元体的受力与变形关系。有限元法是计算固体力学的常用方法，其基本思想是将研究对象解耦成几个单元分别分析。其中，在对单元体进行力学特性计算的时候，单元刚度矩阵(element stiffness matrix)将力与变形联系起来，是非常重要的系数矩阵。
[0016]在上述任一技术方案中，在计算目标函数的灵敏度，以对设计变量的灵敏度进行分析之前，还包括：将温度方差作为目标函数，以供建立温度分布均匀化的散热结构拓扑设
计模型。
[0017]在该技术方案中，将温度方差作为目标函数，以此建立温度分布均匀化的散热结构拓扑设计模型，进而便于根据设计变量和设计参数的变化对温度造成的影响程度，来得到最优的设计变量和参数。
[0018]在上述技术方案中，计算目标函数的灵敏度，以对设计变量的灵敏度进行分析的步骤具体包括：基于单元导热矩阵和整体导热矩阵得到设计区域的温度场分布；基于温度场分布计算目标函数的灵敏度大小；基于目标函数的灵敏度大小分析设计变量的灵敏度，以便于根据设计变量的灵敏度判断设计变量的变化对温度场的影响程度。
[0019]在该技术方案中，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法，其特征在于，包括：获取设计对象的设计区域，以对所述设计区域进行网格划分；获取设计变量及其初始值、设计参数和约束条件，以基于SIMP建立导热材料数学模型；基于所述导热材料数学模型进行功率器件散热结构拓扑设计，其具体包括：基于所述导热材料数学模型建立所述设计对象的单元导热矩阵和整体导热矩阵；基于所述单元导热矩阵和整体导热矩阵建立散热结构拓扑设计模型；计算目标函数的灵敏度，以对所述设计变量的灵敏度进行分析；基于所述目标函数的灵敏度和所述设计变量的灵敏度计算目标函数；判断所述目标函数是否符合收敛条件；在所述目标函数符合收敛条件时，得到最优设计变量；基于所述最优设计变量得到所述设计对象的最优拓扑结构。2.根据权利要求1所述的基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法，其特征在于，所述获取设计对象的设计区域，以对所述设计区域进行网格划分的步骤具体包括：获取设计对象的设计区域；获取单元属性、边界单元的大小和数目；对所述设计区域进行网格划分，以将所述设计区域划分为各个单元；其中，所述单元属性包括单元的类型、单元的实常数、单元的材料性质、单元形成时所在的坐标。3.根据权利要求2所述的基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法，其特征在于，在所述获取设计对象的设计区域，以对所述设计区域进行网格划分之后，还包括：计算当所有单元的相对密度值设定为1时的单元刚度矩阵，以供基于SIMP建立导热材料数学模型。4.根据权利要求1所述的基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法，其特征在于，在所述计算目标函数的灵敏度，以对所述设计变量的灵敏度进行分析之前，还包括：将温度方差作为所述目标函数，以供建立温度分布均匀化的散热结构拓扑设计模型。5.根据权利要求1所述的基于SIMP的功率器件散热结构拓扑设计方法，其特征在于，所述计算目标函数的灵敏度，以对所述设计变量的灵敏度进行分析的步骤具体包括：基于所述单元导热矩阵和整体导热矩阵得到所述设计区域的温度场分布；基于所述温度场分布计算目标函数的灵敏度...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东静，李浩，周福，张国旗，耿道双，杨道国，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：