一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法技术

一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法，涉及结构优化技术领域。离散待优化散热拓扑结构为有限元模型，基于有限元网格执行优化以获得材料的最优分布；基于插值函数将离散优化转换为连续优化，利用第一插值函数获得的传热系数进行分析以获得单元敏度；根据预设的单元和节点的对应关系实现单元敏度向节点敏度的投影转换。根据节点敏度确定关键水平值，当单元对应节点的节点敏度部分大于关键水平值，则该单元为边界单元。对边界单元执行网格细分，利用第二插值函数计算新剖分节点敏度，根据新剖分节点敏度确定边界单元的密度值，根据全部单元的密度值确定体积分数，利用体积分数对关键水平值进行更新，最终找到满足体积约束的关键水平值。平值。平值。

【技术实现步骤摘要】
一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法


[0001]本专利技术涉及结构优化
，具体涉及一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法。

技术介绍

[0002]拓扑优化作为结构优化设计方法能够充分挖掘材料的潜力，在满足设计需求的前提下最大限度节约材料使用并实现结构的轻量化设计。拓扑优化设计区别于传统设计迭代“设计
‑ꢀ
实现”的经验设计模式，可直接得到概念设计结构，从而缩短产品设计周期、节约设计成本，对于工业设计具有十分重要的应用价值。散热元器件是拓扑优化应用的重要领域之一，拓扑优化设计能够在给定材料属性和相关约束下实现元器件散热性能的最优化，包含但不限于最小化热柔度、最小化最高温度、最小化温度场方差等。显然相对于使用昂贵的散热材料，通过优化结构满足散热性能需求更具有吸引力。
[0003]传统的传热拓扑优化方法基于有限元网格剖分的单元执行优化和拓扑表达，如图1所示，优化结构的边界处以锯齿形式表达。此外，传热拓扑优化结果大多呈现树枝状分布，小尺寸特征复杂且富集灰度单元，从而导致树枝分布的优化结构在工程实际中的制造难度极大。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本申请提供一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法。
[0005]根据第一方面，一种实施例中提供一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法，包括：离散待优化散热拓扑结构为有限元模型；基于有限元模型计算出所述待优化散热拓扑结构的密度场，所述密度场包括若干单元；利用第一插值函数计算传热系数，根据所述传热系数对有限元分析模型进行更新，根据更新后的有限元分析模型确定每个单元的单元敏度；所述有限元分析模型用于对所述有限元模型求解；根据预设的若干个单元对应单个节点的映射关系，获取所述若干个单元中的每一个单元的单元敏度，以确定对应的所述单个节点的节点敏度；根据每个节点的节点敏度确定关键水平值，当待优化散热拓扑结构中一个单元对应节点的节点敏度全部大于所述关键水平值，则该单元为完全实体单元；当待优化散热拓扑结构中一个单元对应节点的节点敏度部分大于所述关键水平值，则该单元为边界单元；当待优化散热拓扑结构中一个单元对应节点的节点敏度全部小于所述关键水平值，则该单元为空洞单元；对每个边界单元分别进行剖分以获得对应的新剖分单元，利用第二插值函数计算每个边界单元对应的新剖分单元的新剖分节点敏度；对于每一个边界单元，该边界单元根据其新剖分节点敏度分别确定其密度值；
根据所有单元的密度值共同确定体积分数，根据所述体积分数对所述关键水平值进行更新，以对待优化结果进行满足体积约束的平滑边界表达。
[0006]一实施例中，所述基于有限元模型计算出所述待优化散热拓扑结构的密度场，包括：基于连续性密度策略控制有限元模型的过滤半径，对所述密度场进行若干次迭代，获取迭代的优化目标，当所述优化目标的方差小于设定容差，结束迭代并输出密度场；所述过滤半径通过如下公式计算得到：其中，r为迭代半径，k为迭代的次数，r
min
为预设的最小过滤半径，r0为预设的初始过滤半径，lp为设定的所述初始过滤半径衰减至所述最小过滤半径的迭代次数。
[0007]一实施例中，所述利用第一插值函数计算传热系数，根据所述传热系数对所述有限元分析模型进行更新，包括：在所述第一插值函数中利用大于设定值的惩罚因子计算传热系数，利用如下公式计算所述第一插值函数：其中，k0为传热系数，ε为10
‑3，ρ为单元密度，取值范围为[0，1]，p为惩罚因子，k为插值系数。
[0008]一实施例中，所述根据预设的若干个单元对应单个节点的映射关系，获取所述若干个单元的每一个单元的单元敏度，以确定对应的所述单个节点的节点敏度，包括：利用如下映射公式计算所述单个节点的节点敏度：其中，ns
m
为节点m的节点敏度；Ne为单元总数；i为第i个单元，取值范围为[1，Ne]；es
i
为第i个单元的单元敏度；w
i,m
为所述单元集合中单元敏度的加权函数。
[0009]一实施例中，所述若干个单元的单元敏度场的加权函数通过如下公式确定：其中，w
i,m
为所述若干个单元的单元敏度场的加权函数，r
dist
为节点m的映射范围，为第i个单元到节点m的距离。
[0010]一实施例中，所述根据待优化散热拓扑结构中每个节点的节点敏度确定关键水平值，包括：
获取所有节点敏度中最小的节点敏度值为区间的下界值，获取所有节点敏度中最大的节点敏度值为区间的上界值；利用二分法对下界值和上界值进行更新，计算更新后的下界值和上界值的平均值，以确定所述关键水平值。
[0011]一实施例中，所述对每个边界单元分别进行剖分以获得对应的新剖分单元，利用第二插值函数计算每个边界单元对应的新剖分单元的新剖分节点敏度，包括：利用第二插值函数对每个边界单元的节点敏度进行插值，以获得对应新剖分单元的新剖分节点敏度；利用如下公式表示所述第二插值函数：其中，ns
new
(o)为新剖分单元的新剖分节点敏度,（ξ
i
，η
i
）为边界单元对应节点的坐标，i为边界单元对应的第i个节点，Ce为边界单元对应的节点总数，（ξ
o
，η
o
）为新剖分单元对应的新剖分节点的坐标，为边界单元对应的节点敏度。
[0012]一实施例中，所述对于每一个边界单元，该边界单元根据其新剖分节点敏度分别确定其密度值，包括：计算新剖分节点敏度大于关键水平值的新剖分单元对应的节点占据对应的边界单元的节点的百分比，根据所述百分比确定对应边界单元的密度值；利用如下公式计算所述百分比：其中，b为新剖分单元的对应的节点占据对应边界单元的节点的百分比，（ξ
o
，η
o
）为新剖分单元对应的节点的坐标，ns
m
为新剖分单元的新剖分节点敏度，ns
key
为关键水平值，N
node
为边界单元的节点总数。
[0013]一实施例中，所述根据所述体积分数对关键水平值进行更新，以对待优化散热拓扑结构进行优化，包括：根据体积分数对关键水平值进行更新，当所述体积分数大于预设体积分数，更新当前次的下界值为；当所述体积分数小于预设体积分数，更新当前次的上界值为；其中，ns
key
为所述关键水平值，B
min
为上一次更新的下界值，B
max
为上一次更新的上界值；根据所述当前次的下界值和当前次的上界值对关键水平值进行更新。
[0014]根据第二方面，一种实施例中提供一种计算机可读存储介质，所述介质上存储有程序，所述程序能够被处理器执行以实现上述的方法。
[0015]根据上述实施例的一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法和计算机可读存储介质，离散待优化散热拓扑结构为有限元模型，基于有限元网格执行优化以获得材料的最优
分布；基于插值函数将离散优化转换为连续优化，利用第一插值函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平滑边界表达的散热拓扑优化方法，其特征在于，包括：离散待优化散热拓扑结构为有限元模型；基于有限元模型计算出所述待优化散热拓扑结构的密度场，所述密度场包括若干单元；利用第一插值函数计算传热系数，根据所述传热系数对有限元分析模型进行更新，根据更新后的有限元分析模型确定每个单元的单元敏度；所述有限元分析模型用于对所述有限元模型求解；根据预设的若干个单元对应单个节点的映射关系，获取所述若干个单元中的每一个单元的单元敏度，以确定对应的所述单个节点的节点敏度；根据每个节点的节点敏度确定关键水平值，当待优化散热拓扑结构中一个单元对应节点的节点敏度全部大于所述关键水平值，则该单元为完全实体单元；当待优化散热拓扑结构中一个单元对应节点的节点敏度部分大于所述关键水平值，则该单元为边界单元；当待优化散热拓扑结构中一个单元对应节点的节点敏度全部小于所述关键水平值，则该单元为空洞单元；对每个边界单元分别进行剖分以获得对应的新剖分单元，利用第二插值函数计算每个边界单元对应的新剖分单元的新剖分节点敏度；对于每一个边界单元，该边界单元根据其新剖分节点敏度分别确定其密度值；根据所有单元的密度值共同确定体积分数，根据所述体积分数对所述关键水平值进行更新，以对待优化结果进行满足体积约束的平滑边界表达。2.如权利要求1所述的平滑边界表达的散热拓扑优化方法，其特征在于，所述基于有限元模型计算出所述待优化散热拓扑结构的密度场，包括：基于连续性密度策略控制有限元模型的过滤半径，对所述密度场进行若干次迭代，获取迭代的优化目标，当所述优化目标的方差小于设定容差，结束迭代并输出密度场；所述过滤半径通过如下公式计算得到：其中，r为迭代半径，k为迭代的次数，r
min
为预设的最小过滤半径，r0为预设的初始过滤半径，lp为设定的所述初始过滤半径衰减至所述最小过滤半径的迭代次数。3.如权利要求1所述的平滑边界表达的散热拓扑优化方法，其特征在于，所述利用第一插值函数计算传热系数，根据所述传热系数对所述有限元分析模型进行更新，包括：在所述第一插值函数中利用大于设定值的惩罚因子计算传热系数，利用如下公式表示所述第一插值函数：其中，k0为传热系数，ε为10
‑3，ρ为单元密度，取值范围为[0,1]，p为惩罚因子，k为插值系数。4.如权利要求1所述的平滑边界表达的散热拓扑优化方法，其特征在于，所述根据预设的若干个单元对应单个节点的映射关系，获取所述若干个单元的每一个单元的单元敏度，以确定对应的所述单个节点的节点敏度，包括：
利用如下映射公式计算所述单个节点的节点敏度：其中，ns
m
为节点m的节点敏度；Ne为单元总数；i为第i个单元，取值范围为[1，Ne]；es
i
为第i个单元的单元敏度；w
i,m
为若干个单元的单元敏度的加权函数。5.如权利要求4所述的平滑边界表达的散热拓扑优化方法，其特征在于，所述若干个单元的单元敏度的加权函数通过如下公...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琥，尹纪超，雷钧，蔡勇，王文伟，
申请(专利权)人：北京理工大学深圳汽车研究院电动车辆国家工程实验室深圳研究院，
类型：发明
国别省市：