[发明专利]一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法

权利要求书

1.一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)定义设计工况：

以热控装置内充斥相变材料的区域为设计域，其周边为绝热边界，固定点热源于设计域的边界，设计域的总面积为V_D，整体的高导热材料体积分数的限制为β₀；

2)设计导热通道：

通过模拟植物叶片叶脉的生长来设计导热通道的结构布局，导热通道由点热源向相变材料内部延伸，形成导热增强网络：

2.1)优化模型：

单个生长单元分别使用角度θ，长度L和宽度w来描述其方向和形状，以增加设计域散热效果为优化目标，等效的数学模型为：

Min J(θ，L，w)

上式中，θ_i^(k),L_i^(k)及w_i^(k)分别为第k次优化迭代新生长单元i的生长方向、长度及宽度；n^(k)为第k次优化迭代中新生长单元总数；L_low及L_upp为单个生长单元的长度上、下限；w_lo_w及w_upp为单个生长单元的宽度上、下限；V(θ,L,w)为高导热材料使用体积，V_upp^(k)为第k次迭代中高导热材料用量上限；J为目标函数；

以热源位置为初始生长点并萌发主脉单元，进而生成次脉与三级脉单元，单元首尾相接生成导热通道；

2.2)生成分支：

2.2.1)确定导热通道分歧尺寸初始值：

导热通道分歧尺寸包括长度和宽度两部分，其中分歧通道长度初始值按照等比递减，等比例系数表示为：

其中，L_n为第n次分支过程中的父级通道长度，L_n+1为第n次分支过程中的子级通道长度；

分歧通道宽度的初始值由穆雷定律确定：

d₀和d₁、d₂分别为父级通道与两个分叉的子级通道的宽度；

2.2.2)确定导热通道分歧角度初始值：

根据系统虚功原理获得导热通道分歧角度和宽度之间的数值关系：

其中d₁，d₂分别为两子级通道的宽度，θ₁，θ₂分别为两子级通道轴线与父级通道轴线所夹的锐角；

2.2.3)尺寸和边界优化：

首先，对各导热通道单元进行尺寸优化，保持各导热通道单元起始点坐标、长度及角度保持不变，应用移动渐近线法对各导热通道单元的宽度(t₁,t₂,t₃)进行优化，其数学模型为：

式中，w为导热通道单元宽度向量，V(w)^(k)与V_upp^(k)分别为第k次迭代中高导热材料的体积用量与体积上限，L_i^(k)和w_i^(k)为第k次迭代中新产生的导热通道单元i的长度和宽度，L_j和w_j^(k)为第k次迭代前已存在的导热通道单元j的长度和宽度，Th为导热通道单元的厚度，w_upp为导热通道单元的宽度上限；

完成尺寸优化之后，对分歧结构边界进行拟合优化，使用二次样条曲线对相邻导热通道单元的折点进行拟合以获得光滑的结构边界；

3)材料重构：

采用竞争机制对导热通道单元进行筛选，使用生长阈值w_b^(k)与退化阈值w_d^(k)对其进行控制：

上式中，w_b和w_d分别为分叉和退化操作阈值，t₂为每个新生长单元的末端宽度，若激活生长单元分叉操作；若激活生长单元退化操作，本生长单元将被去除；若本生长单元保持不变；

4)导热通道数学优化模型：

以导热分歧网格结构总火积耗散最低为优化目标函数，以高导热材料的体积耗散为约束条件；

4.1)目标函数：

基于密度法的有限元模型，设计域内材料热传导张量矩阵D_p的计算式写作：

D_p＝φ_sum×D_s+(1-φ_sum)×D_w (10)

上式中，D_s为导热通道所在区域的高导材料热传导张量矩阵，D_w为非导热通道所在区域的低导材料热传导张量矩阵，φ_sum为有限元节点的密度矩阵，单元覆盖区域的密度值取1，未被单元覆盖的区域密度值取0；

基于密度法的有限单元热传导矩阵为：

上式中，np为单元中实材料区域与虚材料区域细分后的三角子区域总数，det(J_np)为细分三角子区域对应的雅克比行列式，同时也是三角子区域的面积，W为高斯积分系数；ξ、η为高斯积分点的坐标；

目标函数的矩阵计算形式为：

上式中，∑K_e为各有限元单元的热传导矩阵按照经典有限元组装规则组装后的总热传导矩阵，温度场U的计算为：

U·∑K_e＝f_t (13)

4.2)约束函数：

以设计域内高导热材料体积耗散为约束函数，利用密度法进行的体积耗散计算公式如下：

上式中，V_D为设计域的总面积，β₀为高导热材料体积分数的上限；

5)迭代优化：

将计算得到的目标函数和约束函数值以及敏度值带入移动渐近线优化算法(MMA)中，迭代更新变量，直至目标函数在满足约束条件的情况下收敛为止，获得满足材料用量最优导热结构；

6)适应性处理：

按照生产工艺要求圆整导热率提升结构分叉布局，从而获得导热结构最终布局。

2.根据权利要求1所述的一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法，其特征在于：为适应不同设计需求，使用时并不局限于所述的约束及优化目标，设计者能够加入热阻评价、散热弱度评价或耐蚀评价，评价方法通过有限元计算获得。