[发明专利]一种电力电子集成模块冷板液流通道的拓扑优化设计方法

说明书

一种电力电子集成模块冷板液流通道的拓扑优化设计方法，首先要建立有限元模型并设定生长初始点及完成自适应生长的参数初始化，然后拟定冷板液流通道的自适应生长策略，给出确定冷板液流通道生长方向及分叉的方法，最后进行冷板液流通道的逐级、迭代生长；本发明可直接获得优化的冷板液流通道布局，同时摆脱了基结构节点的束缚，所以也更接近于最优结果，既不必苛求设计者具有大量的设计经验，也不再需要重复模拟、改进、再模拟的工作，明显提高了工作效率与设计质量。

技术领域

本发明属于液流通道布局设计领域，具体涉及一种电力电子集成模块冷板液流通道的拓扑优化设计方法。

技术背景

冷板液流通道的布局设计对大功率集成化电力电子设备提高性能有着十分重要的作用；在传统的工业生产中，设计者一般会根据自身经验并结合车间中成熟的生产工艺，设计出冷板液流通道的布局，然后利用分析软件仿真或制作样品测试，找出设计中欠缺的地方，再来更正冷板液流通道的布局。这种过于依赖设计人员经验与直觉的冷板液流通道的布局设计方法非常缺少理论依据，需要经过大量实验及修正，不仅浪费材料、达不到目标，而且设计效率低，增加了企业的成本；并且从采用的冷板液流通道的布局构形看，大多数采用的是平行或蛇形布局，虽然形式简单，易于加工制造，但是与实际的生热情况不一定匹配，难以保证布局设计的合理性。

发明内容

为了克服上述现有设计方式的缺点，本发明提供一种电力电子集成模块冷板液流通道的拓扑优化设计方法，提高了设计的效率与质量。

为了达到上述目标，本发明采取的技术方案为：

一种电力电子集成模块冷板液流通道的拓扑优化设计方法，包括以下步骤：

1)冷板液流通道自适应生长的初始化：

1.1)生长区域的构建：根据实际待优化的散热问题划定设计域，建立设计域的有限元模型，将该有限元模型称为基结构；根据设计域内热量的产生和传导情况，对基结构施加热载荷边界条件；

1.2)生长参数的初始化：对冷板液流通道自适应生长的相关参数进行初始化，参数包括流体圆管的内外半径r₁与r₂，管内流体的导热系数λ_l，管壁自身的导热系数λ_s，流体散热圆管的用量体积上限V_max，冷板液流通道的生长步长L；

除以上参数外，还需对冷板液流通道的生长点进行初始化；根据给定的热载荷边界条件，设定一个或多个初始生长点；冷板液流通道由初始生长点开始生长，并且随着生长，生长点的位置不断更新；

2)冷板液流通道的自适应生长策略：

2.1)冷板液流通道热刚度矩阵K_e的构造：

冷板液流通道中的流体与通道自身在布局设计时作为整体进行考虑，采用等效法，冷板液流通道的散热效果用固体高导热材料来代替，以此来实现冷板液流通道热刚度矩阵的构造；

冷板液流通道的等效导热系数λ_e：

以高导热材料的导热系数来描述冷板液流通道的导热能力，即高导热材料的导热系数即为冷板液流通道的等效导热系数，表达式为：

其中：r₁是流体圆管内壁半径；r₂是流体圆管外壁半径；λs是固体管壁的导热系数；h是对流换热系数，为表征冷板液流通道流固界面处热量交换强度的参数，h的取值与管内流体的导热系数、流速及流固界面的粗糙度有关，即：

h＝g(λ_l，v_max，R) (2)