[发明专利]一种肋片构型拓扑优化系统及方法

说明书

本发明提供了一种肋片构型的拓扑优化系统及方法，包括：模块M1：采用有限元法建立传热模型；模块M2：设定拓扑优化模型的目标函数；模块M3：采用变密度法对拓扑优化模型的设计变量进行物性插值；模块M4：利用牛顿下山法求解传热模型，对拓扑优化目标函数进行迭代求解，直至拓扑优化模型设计变量满足收敛判据；模块M5：对满足收敛判据的设计变量进行投影函数计算，获得清晰轮廓；本发明利用Matlab软件设计了对肋片构型的拓扑优化建模仿真方法，结果显示，本发明提供的肋片构型拓扑优化方法与其他优化方法相比，具有更强的设计自由度，其优化结果也具有更好的传热性能。

技术领域

本发明涉及结构优化设计领域，具体地，涉及一种肋片构型拓扑优化系统及方法，更为具体地，涉及一种传热结构拓扑优化设计模型及建模方法。

背景技术

对于具有高热流密度及低导热性的结构而言，最为直接有效的方法就是将具有高导热性能的材料加入结构内部，形成高导热通道，从而有效地将热量导出。肋片就是实践中最为常见的传热结构之一。通过对传热结构的优化设计，可以在提高传热效率的同时，降低高导热材料的使用率，从而达到更优的传热效果。

在肋片结构优化设计方面，主要可以分为尺寸优化，形状优化以及拓扑优化三类。其中，尺寸优化是最为常见的优化形式，对于传热结构的长度、宽度、厚度等结构参数的优化都可以被认为是尺寸优化。形状优化则是对传热结构的构型进行优化，诸如直肋、针肋、螺旋肋等各种肋片结构的优化比较就属于形状优化的一种。上述两种优化方法设计形式单一，设计自由度不高，设计效率较为低下。

相较于尺寸优化以及形状优化，拓扑优化可以根据边界条件、约束条件以及不同性能指标，对给定区域里的肋片结构进行拓扑结构优化，具有更多的设计自由度，也给设计流程带来了更为坚实的理论基础。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种肋片构型的拓扑优化系统及方法。

根据本发明提供的一种肋片构型的拓扑优化系统，包括：

模块M1：采用有限元法建立传热模型；

模块M2：设定拓扑优化模型的目标函数；

模块M3：采用变密度法对拓扑优化模型的设计变量进行物性插值；

模块M4：利用牛顿下山法求解传热模型，对拓扑优化目标函数进行迭代求解，直至拓扑优化模型设计变量满足收敛判据；

模块M5：对满足收敛判据的设计变量进行投影函数计算，获得清晰轮廓；

所述拓扑优化模型是求解肋片最优的拓扑构型；肋片空间占比范围的限制采用包括等式和/或不等式进行约束；

所述目标函数表征肋片构型优化所追求的最终目标；

所述设计变量表征设计域中材料的拓扑状态，设计变量的变化范围的限制采用包括等式和/或不等式进行约束；

所述传热模型针对实际的物理问题建立的用于求解温度场的计算模型，求解温度在时间和空间上的变化规律；传热模型根据设定计算域的几何尺寸以及相应的初始条件与边界条件，建立传热模型。

优选地，所述模块M1包括：采用有限元法对传热模型进行建模，传热模型表达式如下：

其中，K为温度刚度阵，T为温度向量，C为变温阵，Q为热源阵，F为边界条件，变温阵采用集中法进行修正。

所述模块M2包括：所述拓扑优化模型的目标函数包括最小熵产、最小火积耗散、最小平均温度、最小局部高温。

优选地，所述模块M3包括：采用插值函数完成设计变量对物理模型的映射，包括设计变量与导热率的映射、设计变量与比热容的映射和/或设计变量与密度的映射；