基于无网格伽辽金法的散热器件冷却通道生成式设计方法

摘要

本发明公开了一种基于无网格伽辽金法的散热器件冷却通道生成式设计方法，采用伽辽金计算节点对设计域进行离散化处理；设计过程中冷却通道辅材从通道出口处开始生成，新生成的辅材节点可以在360°全域空间内寻优，不受设计域基材计算节点的束缚和限制；辅材生成设计过程中自动判别分歧点和分歧方向，实现主枝和侧枝的自主生成设计。本发明通过无网格伽辽金离散化处理，使得冷却通道辅材生成节点可在360°全域范围内寻优，避免了重新划分计算网格问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种散热器件冷却通道的拓扑优化设计方法，具体是指一种基于无网格伽辽金法的散热器件冷却通道生成式设计方法。

背景技术

电子元器件正在加快朝着超大功率化、高度集成化、大规模化和微小型化发展，随之而来的是越来越严峻的散热、冷却问题；而传统所采用的强制对流换热方式已无法满足超大功率电子元器件的散热、冷却需求；但通过在散热器件内部设计和布置传热性能更好的具有高导热系数的辅材或冷却流道，构筑高效散热、冷却通道，达到对热量的高效传输，可以有效解决目前面临的散热、冷却问题。同时，具有高导热系数辅材或冷却流道的合理设计和布置，一是可以提高传热效率，二是可以减少辅材或管路的使用量，节约成本。传统采用有限元分析的方法设计和优化高导热系数辅材的布置形式，受限于有限元网格的束缚，辅材的布置优化设计过程往往无法在360°全域范围内进行寻优，限制了获取最优辅材布局。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提出基于无网格伽辽金法的散热器件冷却通道生成式设计方法，通过对设计域采用无网格伽辽金节点进行离散化处理，实现冷却通道辅材生成节点的布置可以摆脱基材节点的限制和束缚，实现在360°全域范围内进行寻优。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于无网格伽辽金法的散热器件冷却通道生成式设计方法，包括以下步骤：

1)根据散热器件结构尺寸，采用无网格伽辽金法进行离散化处理，确定冷却通道的设计域，布置基于无网格伽辽金法的计算节点，并赋予散热器件基材物性参数，施加边界条件和约束条件；

2)以散热器件冷却通道出口处的计算节点作为种子点，布置冷却通道辅材，布置冷却通道辅材的具体过程为：先设置辅材的生成距离，然后以散热器件的热量传递势容耗散取极值为目标，对辅材生成方向开展寻优分析，以使目标减小值最大的方向作为辅材生成方向，从而确定辅材生成的终点位置；

3)以步骤2)确定的辅材生成的终点位置作为新种子点，重复步骤2)，确定辅材生成的终点位置；

4)当步骤2)和步骤3)中辅材生成方向的夹角大于设置的临界值时，则辅材以步骤2)中生成的终点位置作为新种子点，进行分歧生长：辅材主枝的生成方向为步骤2)和步骤3)中辅材生成方向的夹角的中线；然后在辅材主枝两侧，分别重复步骤2)，确定两侧辅材侧枝生成的终点位置；

5)以步骤4)确定的主枝以及两侧辅材侧枝的生成的终点位置作为新种子点，重复步骤2)至步骤4)；

6)当新生成的辅材抵达散热器件边界而辅材总量未达到设定的体积分数，以已生成的所有辅材中热流密度最大的点作为新种子点，重复步骤2)至步骤5)，直到生成的辅材总量达到设定的体积分数时，则终止生成。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的施加的边界条件具体包含以下内容：

1)生热源的位置、形式和数值大小信息；

2)散热器件边界处的温度或热流密度信息；

3)热沉的位置、形式和数值大小信息。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的施加的约束条件具体包含以下内容：

1)辅材的体积分数；

2)前后两次辅材生成方向的夹角的临界值。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中，重复步骤2)中的寻优设计时，如果两侧生成的新辅材使目标函数的减小值之比大于给定的临界值，则同时进行两侧侧枝辅材的生长，否则目标减小值大的一侧进行侧枝辅材的生长。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过对设计域采用无网格伽辽金法进行离散化处理，节点与节点之间不存在传统有限元分析的那种相连网格，因此节点之间没有束缚，节点的布置可以不受限制。并且本方法易于重新建模，扩展到三维空间中也更易进行。本方法在进行生长时，生长的角度在360°范围内寻优，无论生成的终点位置在何处，都可以通过在生成分枝的终点处布置新的节点保证精确的建模。但是，在有限元分析中，生长的杆单元的终点位置必须是原有的节点。如果增加节点则必须重新建模，这样会导致计算负担过重或难以划分新的网格，在三维空间中就更难实现。所以本发明通过实现冷却通道辅材生成节点的布置可以摆脱基材原有节点的限制和束缚，实现在360°全域范围内进行寻优。本发明的步骤2)、3)、4)、5)和6)中新种子点作为新生成的辅材节点，以无网格伽辽金法进行表征，使新生成的辅材终点直接添加到设计域基材计算节点中，避免了传统有限元分析需要重新划分网格的问题。生长节点不必考虑节点间的联系，使得本方法增加新的节点易于进行，很容易拓展到三维空间中，有助于解决三维问题。本发明中的无网格伽辽金法采用移动最小二乘近似作为形函数，边界条件是用拉格朗日乘子法施加，伽辽金弱式积分方程是采用高斯积分法求解，具有求解稳定性强，精度高的优点。

附图说明

图1是“体-点”问题示意图；

图2是体-点”问题的离散化示意图；

图3是辅材生成设计寻优示意图；

图4是辅材主、侧枝布局示意图。

具体实施方式

下面结合“体-点”散热问题和附图对本发明作进一步的说明。

参见图1-图4，本发明一种基于无网格伽辽金法的散热器件冷却通道生成式设计方法，包括以下步骤：

1)根据散热器件结构尺寸确定冷却通道的设计域，布置基于无网格伽辽金法的计算节点(见图1和图2)，并赋予散热器件基材(低导热材料)的物性参数，施加边界条件和约束条件；其中，设计域采用无网格伽辽金节法进行离散化处理，节点与节点之间不存在传统有限元分析的那种相连网格。

无网格伽辽金法采用移动最小二乘近似作为形函数，边界条件是用拉格朗日乘子法施加，伽辽金弱式积分方程是采用高斯积分法求解。

施加的边界条件具体包含以下内容：

1)生热源的位置、形式和数值大小信息；

2)散热器件边界处的温度或热流密度信息；

3)热沉的位置、形式和数值大小信息。

施加的约束条件具体包含以下内容：

1)辅材的体积分数；

2)前后两次辅材生成方向的夹角的临界值；

3)两侧辅材侧枝生成时，两侧侧枝对目标函数减小值之比的临界值；

2)以已知的散热器件冷却通道出口处(即热沉)的计算节点作为种子点，布置冷却通道辅材(高导热材料)，布置冷却通道辅材的具体过程为：设置本次辅材的生成距离，然后以散热器件的热量传递势容耗散(火积)取极值为目标，对辅材生成方向开展寻优分析，以目标减小值最大的方向作为辅材生成方向，确定本次辅材生成的终点位置；

3)以步骤2)辅材生成终点作为新种子点，重复步骤2)，确定辅材生成的终点位置，进行新辅材的生成设计；

4)当步骤2)和步骤3)中前后两次辅材生成方向的夹角大于设置的临界值(见图3)，则辅材以步骤2)中生成的终点位置作为新种子点，进行分歧生长：辅材主枝的生成方向为步骤2)和步骤3)中辅材生成方向的夹角的中线；然后在辅材主枝两侧，分别重复步骤2)，进行两侧辅材侧枝的终点位置；

5)以步骤4)确定的主枝以及两侧辅材侧枝的生成的终点位置(即三个辅材生成终点)作为新种子点，重复步骤2)至步骤4)，进行新辅材的生成；

6)当新生成的辅材抵达散热器件边界而辅材总量未达到设定的体积分数(见图4)，以已生成的所有辅材中热流密度最大的点作为新种子点，重复步骤2)至步骤5)，进行侧枝新辅材的生成设计。

其中，新生成的辅材节点以无网格伽辽金法进行表征，直接添加到设计域基材计算节点中，避免了传统有限元分析需要重新划分网格的问题。

7)当生成的辅材总量达到设定的体积分数时，则终止新辅材的生成。

所述的辅材生成节点的位置不受基材计算节点位置的限制和束缚，可以在360°全域空间内寻优。

所述的每一步生长时，生长节点(具体的，生长节点指每一步生长的种子点，第一步为热沉位置处的节点，之后为每步生长后，新布置的节点)的分歧能力，即侧枝生成能力，取决于前后两次生长方向的夹角以及生长点在各个生成方向生长后对目标函数的减小值之比。

所述的步骤6)，分别在主枝两侧的角度范围内，重复步骤2)中的方向寻优设计时，如果两侧生成的新辅材使目标函数的减小值之比大于给定的临界值，则同时进行两侧侧枝辅材的生长，否则只进行使目标减小值大的一侧进行侧枝辅材的生长。

本发明中侧枝的生成能力，取决于生长点在各个生成方向对目标函数的贡献度及其之间的插值，本发明充分考虑了侧枝生长的多种可能性。

实施例1

在给定的40mm x 40mm的设计域基材内，先布置81x81均匀分布的节点。体内有均匀分布的热源，四边绝热，只在一边的中点有一散热点，温度为0℃。给定基材的导热系数为0.01W/(m·K)，设置每次生长距离为0.5mm；以热沉处为种子点，进行360°范围的寻优，找到使热量传递势容耗散最小的生长角度。并在该终点位置添加为一个节点，将其导热系数设为1W/(m·K)。之后，再以该节点作为新的种子点，继续生长。如果前后两次的生长角度差值大于90°，则认为改点具有分歧能力，同时进行主枝和侧枝的生长。如果生长到达边界，但未达到要求的体积分数，则在已生长出的节点中热流密度大的点作为种子点继续生长，且在该点所在的主枝两侧角度范围内进行寻优设计，如果两边的最优生长点，使得目标函数的减小值之比大于0.9，则认为两侧同时具有生长侧枝的能力，否则只进行使目标值减小更大的一侧侧枝进行生长。

本发明通过对设计域采用无网格伽辽金节点进行离散化处理，实现冷却通道辅材生成节点的布置可以摆脱基材节点的限制和束缚，实现在360°全域范围内进行寻优。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，如虽然本发明实施例采用高导热材料构筑冷却通道，但若使用冷却液，也就是可将优化后的冷却通道拓扑构型作为冷却液传输管路的布置形式以此来构筑冷却通道，亦均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。