基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法和装置制造方法及图纸

本申请提供一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法和装置，方法包括，确定满足预设优化目标的目标壁厚和目标进出口位置；在具有目标壁厚和目标进出口位置的第二储氮结构模型的热沉拓扑优化设计域上，依次进行热流固耦合优化和流固耦合优化，获得满足重量最轻且进出口温差最小目标的最佳热沉分布位置，满足热沉结构重量最轻且进出口温差最小目标的最佳材料分布形式，按最佳热沉分布位置和最佳材料分布形式设计热沉结构，校核带热沉结构的第三储氮结构模型，获得通过校核的目标储氮结构模型。本发明专利技术采用拓扑优化方法在不同物理场优化目标中找到结构的最佳分布形式，并在满足每一个物理场设计要求的前提下尽可能减少储氮结构的重量。减少储氮结构的重量。减少储氮结构的重量。

【技术实现步骤摘要】
基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法和装置


[0001]本专利技术涉及超导磁体设计
，特别涉及一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法和装置。

技术介绍

[0002]超导磁体是超导电动悬浮列车的核心部件，为了维持超导磁体的强大电磁力必须保证由超导带材制成的超导线圈保持在临界温度之下。为了保持超导线圈的临界温度，一般会将超导线圈浸泡在液氮中，同时通过设置热沉使外界的热量尽可能低的传递到超导线圈中。因此，在超导磁体中一般设置有储氮结构，该结构一方面可以使注入的液氮流入超导线圈结构并进行浸泡降温，另一方面还可以作为热沉的冷量来源降低外界热量输入。
[0003]因此在设计储氮结构时，需要同时满足温度场，结构场和流场几方面的要求，而现有设计方法通常依赖结构原始构型和工程师经验，难以获得同时满足多方面要求的储氮结构。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的缺点，本专利技术提供一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法和装置，以提供一种高效的且能够同时满足温度场，结构场和流场指标的储氮结构设计方案。
[0005]本申请第一方面提供一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法，包括：
[0006]以储氮结构的最大温度应力和最大热膨胀变形均小于对应阈值为第一优化目标，进行壁厚筛选，获得满足所述第一优化目标的目标壁厚；
[0007]在基于所述目标壁厚确定的第一储氮结构模型上加载共轭传热边界条件，并以储氮结构的进出口压力最大为第二优化目标进行优化，获得满足所述第二优化目标的目标进出口位置；
[0008]在基于所述目标壁厚和所述目标进出口位置确定的第二储氮结构模型上设置热沉拓扑优化设计域，并以储氮结构重量最轻且进出口温差最小为第三优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于热流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第三优化目标的最佳热沉分布位置；
[0009]根据所述最佳热沉分布位置，以热沉结构重量最轻且储氮结构进出口压力最大为第四优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第四优化目标的最佳材料分布形式；
[0010]对基于所述目标壁厚和所述目标进出口位置确定的、且具有按照所述最佳热沉分布位置和最佳材料分布形式设置的热沉结构的第三储氮结构模型进行结构校核；
[0011]若所述第三储氮结构模型通过所述结构校核，确定所述第三储氮结构模型为设计好的目标储氮结构模型。
[0012]本申请第二方面提供一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化装置，包括：
[0013]壁厚优化单元，用于以储氮结构的最大温度应力和最大热膨胀变形均小于对应阈值为第一优化目标，进行壁厚筛选，获得满足所述第一优化目标的目标壁厚；
[0014]进出口优化单元，用于在基于所述目标壁厚确定的第一储氮结构模型上加载共轭传热边界条件，并以储氮结构的进出口压力最大为第二优化目标进行优化，获得满足所述第二优化目标的目标进出口位置；
[0015]分布位置优化单元，用于在基于所述目标壁厚和所述目标进出口位置确定的第二储氮结构模型上设置热沉拓扑优化设计域，并以储氮结构重量最轻且进出口温差最小为第三优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于热流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第三优化目标的最佳热沉分布位置；
[0016]材料形式优化单元，用于根据所述最佳热沉分布位置，以热沉结构重量最轻且储氮结构进出口压力最大为第四优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第四优化目标的最佳材料分布形式；
[0017]校核单元，用于对基于所述目标壁厚和所述目标进出口位置确定的、且具有按照所述最佳热沉分布位置和最佳材料分布形式设置的热沉结构的第三储氮结构模型进行结构校核；
[0018]确定单元，用于若所述第三储氮结构模型通过所述结构校核，确定所述第三储氮结构模型为设计好的目标储氮结构模型。
[0019]本申请提供一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法和装置，方法包括，确定满足预设优化目标的目标壁厚和目标进出口位置；在具有目标壁厚和目标进出口位置的第二储氮结构模型的热沉拓扑优化设计域上，依次进行热流固耦合优化和流固耦合优化，获得满足重量最轻且进出口温差最小目标的最佳热沉分布位置，满足热沉结构重量最轻且进出口温差最小目标的最佳材料分布形式，按最佳热沉分布位置和最佳材料分布形式设计热沉结构，校核带热沉结构的第三储氮结构模型，获得通过校核的目标储氮结构模型。本专利技术采用拓扑优化方法在不同物理场优化目标中找到结构的最佳分布形式，并在满足每一个物理场设计要求的前提下尽可能减少储氮结构的重量。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0021]图1为本申请实施例提供的一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法；
[0022]图2为本申请实施例提供的一种通过数值仿真获得的储氮结构中温度场和流场示意图；
[0023]图3为本申请实施例提供的一种通过数值仿真获得的储氮结构中压力的分布示意图；
[0024]图4为本申请实施例提供的一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化装置。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]为便于理解本申请的技术方案，首先对可能涉及的部分术语进行说明。
[0027]超导磁体，超导磁体是指低温下用具有特定转变温度和临界磁场特别高的超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗。
[0028]电磁力，以超导磁浮列车为例，超导磁体与地面线圈磁体相互作用可以产生强大的电磁斥力，将超导磁浮列车悬浮与轨道上方。
[0029]超导线圈，由超导带材绕制而成的线饼组合起来的线圈称为超导线圈，超导线圈内没有电阻和焦耳耗能，因此一旦迭入电流，此电流就可以一直存在，其所产生的磁场也能在不外力做功的情况下永速保持。
[0030]液氮，液氮是指液态的氮气。工业生产中，用压缩液体空气分馏的方法获得液氮，可以用于作为深度制冷剂，提供高温超导体显示超导性所需的温度，例如钇钡铜氧。
[0031]固氮，固态氮就是氮气低温变成固体的状态。
[0032]相变，物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化方法，其特征在于，包括：以储氮结构的最大温度应力和最大热膨胀变形均小于对应阈值为第一优化目标，进行壁厚筛选，获得满足所述第一优化目标的目标壁厚；在基于所述目标壁厚确定的第一储氮结构模型上加载共轭传热边界条件，并以储氮结构的进出口压力最大为第二优化目标进行优化，获得满足所述第二优化目标的目标进出口位置；在基于所述目标壁厚和所述目标进出口位置确定的第二储氮结构模型上设置热沉拓扑优化设计域，并以储氮结构重量最轻且进出口温差最小为第三优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于热流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第三优化目标的最佳热沉分布位置；根据所述最佳热沉分布位置，以热沉结构重量最轻且储氮结构进出口压力最大为第四优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第四优化目标的最佳材料分布形式；对基于所述目标壁厚和所述目标进出口位置确定的、且具有按照所述最佳热沉分布位置和最佳材料分布形式设置的热沉结构的第三储氮结构模型进行结构校核；若所述第三储氮结构模型通过所述结构校核，确定所述第三储氮结构模型为设计好的目标储氮结构模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以储氮结构的最大温度应力和最大热膨胀变形均小于对应阈值为第一优化目标，进行壁厚筛选，获得满足所述第一优化目标的目标壁厚，包括：根据超导磁体和超导线圈的结构确定初始储氮结构模型；在所述初始储氮结构模型上加载共轭传热边界条件；校验加载所述共轭传热边界条件的所述初始储氮结构模型是否满足最大温度应力和最大热膨胀变形均小于对应阈值的第一优化目标；若加载所述共轭传热边界条件的所述初始储氮结构模型不满足所述第一优化目标，调整所述初始储氮结构模型的壁厚，返回执行所述在所述初始储氮结构模型上加载共轭传热边界条件步骤，直至加载所述共轭传热边界条件的所述初始储氮结构模型满足所述第一优化目标；若加载所述共轭传热边界条件的所述初始储氮结构模型满足所述第一优化目标，将当前所述初始储氮结构模型的壁厚确定为满足所述第一优化目标的目标壁厚。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以储氮结构的进出口压力最大为第二优化目标进行优化，获得满足所述第二优化目标的目标进出口位置，包括：确定所述第一储氮结构模型的共轭传热区域、层流入口区域和层流出口区域；按照非等温流动对所述第一储氮结构模型进行数值仿真，并根据仿真结果确定所述第一储氮结构模型是否满足进出口压力最大的第二优化目标；若所述第一储氮结构模型不满足所述第二优化目标，调整所述第一储氮结构模型的进出口位置，返回执行所述按照非等温流动对所述第一储氮结构模型进行数值仿真步骤，直至所述第一储氮结构模型满足所述第二优化目标为止；若所述第一储氮结构模型满足所述第二优化目标，将所述第一储氮结构模型当前的进
出口位置确定为满足所述第二优化目标的目标进出口位置。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以储氮结构重量最轻且进出口温差最小为第三优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于热流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第三优化目标的最佳热沉分布位置，包括：将所述热沉拓扑优化设计域中的杨氏模量、密度、导热系数和热容均乘以拓扑优化罚函数，获得对应的罚杨氏模量、罚密度、罚导热系数和罚热容；在所述热沉拓扑优化设计域上加载预设的边界条件；根据所述罚杨氏模量、罚密度、罚导热系数和罚热容，对加载所述边界条件后的所述热沉拓扑优化设计域进行数值仿真，并根据仿真结果确定当前的热沉分布位置是否满足储氮结构重量最轻且进出口温差最小的第三优化目标；其中，首次对加载所述边界条件后的所述热沉拓扑优化设计域进行数值仿真时的热沉分布位置，为预设的初始热沉分布位置；若当前的热沉分布位置不满足所述第三优化目标，更新当前的热沉分布位置，返回执行所述根据所述罚杨氏模量、罚密度、罚导热系数和罚热容，对加载所述边界条件后的所述热沉拓扑优化设计域进行数值仿真步骤，直至当前的热沉分布位置满足所述第三优化目标为止；若当前的热沉分布位置满足所述第三优化目标，将当前的热沉分布位置确定为满足所述第三优化目标的最佳热沉分布位置。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述最佳热沉分布位置，以热沉结构重量最轻且储氮结构进出口压力最大为第四优化目标，在所述热沉拓扑优化设计域上基于流固耦合进行拓扑优化，获得满足所述第四优化目标的最佳材料分布形式，包括：根据所述最佳热沉分布位置和初始的材料分布形式，在所述热沉拓扑优化设计域中设置热沉结构；将所述热沉拓扑优化设计域中的杨氏模量、密度、导热系数和热容均乘以拓扑优化罚函数，获得对应的罚杨氏模量、罚密度、罚导热系数和罚热容；在所述热沉拓扑优化设计域上加载预设的边界条件；根据所述罚杨氏模量、罚密度、罚导热系数和罚热容，对加载所述边界条件后的所述热沉拓扑优化设计域进行数值仿真，并根据仿真结果确定当前的材料分布形式是否满足热沉结构重量最轻且储氮结构进出口压力最大的第四优化目标；若当前的材料分布形式不满足所述第四优化目标，更新当前的材料分布形式，返回执行所述根据所述罚杨氏模量、罚密度、罚导热系数和罚热容，对加载所述边界条件后的所述热沉拓扑优化设计域进行数值仿真步骤，直至当前的材料分布形式满足所述第四优化目标为止；若当前的材料分布形式满足所述第四优化目标，将当前的材料分布形式确定为满足所述第四优化目标的最佳材料分布形式。6.一种基于热流固耦合的超导磁体储氮结构拓扑优化装置，其特征在于，包括：壁厚优化单元，用于以储氮结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵晴，胡浩，关春晖，刘洪涛，
申请(专利权)人：中车长春轨道客车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：