(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710230212.2
(22)申请日 2017.04.10
(71)申请人 西安电子科技大学
地址 710065 陕西省西安市雁塔区太白南
路2号
(72)发明人 钱思浩 王伟 葛潮流 娄顺喜
段宝岩 王从思 苗恩铭 黄进
保宏
(74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任
公司 61200
代理人 姚咏华
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种基于拓扑优化的冷板流
道设计方法，包括冷板入口独立变量的确定；冷
板流道二维设计域的抽取；以冷板表面温度均方
根误差和流体流动耗散功为加权目标，以流体体
积分数为约束的冷板流道拓扑优化模型的建立；
二维冷板流道拓扑优化模型的求解；三维冷板及
其流道模型的建立；冷板表面温度均方根误差的
计算。本发明能够合理考虑管道占冷板体积比重
并实现冷板高效散热、改善温度分布的均匀性，
对指导电子设备的冷板设计有重要意义。权利要求书3页 说明书6页 附图3页CN 107122527 A 2017.09.01
C N 107122527
A
1.一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据电子设备的装配图，确定其中功率器件的表面热流密度Q和冷板的外框尺寸参数；
(2)根据电子设备所采用的冷却泵，确定冷板入口的独立参数和冷却液热属性参数；
(3)根据冷板所要达到的目标以及功率器件参数、冷板外框尺寸参数以及冷板入口的独立参数，建立冷板拓扑优化模型，并确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；
(4)根据拓扑优化模型，进行分析求解，获得冷板流道的拓扑形状；
(5)根据拓扑优化所得的冷板流道拓扑形式，确定流道几何参数，建立冷板的三维几何模型；
(6)根据冷板的三维几何模型，建立冷板的有限元模型，并施加冷板的边界条件；
(7)根据冷板的有限元模型以及冷板入口的独立参数，采用CFX软件分析计算冷板表面的温度分布；
(8)根据冷板表面的温度分布，计算温度分布均方根值RMS T，判断是否满足所需要求，若满足，则得到冷板设计方案；否则修改流道几何参数，重复(4)到(8)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，冷板的外框
尺寸参数包括宽W、长L以及高H。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，冷板入口的独立参数包括入口速度v和入口温度T0，冷却液热属性参数包括热传导率k f、定压比热容C p和密度ρ。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，建立冷板拓扑优化模型，包括如下步骤：
(3a)根据冷板设计目标，建立目标函数，此处以流体流动最小耗散功和表面温度均方根值最小为目标函数，如下式所示：
F0＝w1A+w2B
式中，
其中，A表示温度均方根值，B表示流体耗散功，w1、w2分别表示目标函数中不同项所占比重，γ为设计变量，T为温度，T为平均温度，V为固体体积，η为流体动力粘度，α(γ)为阻流系数，u为流体运动速度，V为固体体积，x为空间直角坐标，i,j分别为不同坐标角标；
(3b)根据步骤(3a)建立的目标函数，建立拓扑优化数学模型：
find γ
min F0＝w1A+w2B
<▽·u＝0
ρ(u·▽)u＝-▽p+▽·η(▽u+(▽u)T)-α(γ)u
ργC p(u·▽T)＝k(γ)▽2T+(1-γ)Q
0≤γ≤1
其中，▽为哈密顿算子，ρ为流体密度，C p为流体定压比热容，k(γ)为导热系数，Q为热源项；
(3c)根据功率器件的尺寸、位置和发热功率，确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度，其中发热面积取功率器件与冷板的接触面积，一般为功率器件的底面积，功率密度为器件功率与接触面积的比值，其计算公式如下：
其中，Q为功率密度，P power为器件功率，A contact为功率器件与冷板的接触面积；
(3d)根据热源的特性参数，冷板的尺寸参数以及冷却系统的特性参数，建立优化域的几何模型并设置边界条件。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据拓扑优化模型，获得冷板流道的拓扑形状，包括如下步骤：
(4a)根据步骤(3)所建立的拓扑优化模型，进行网格剖分；
(4b)选取优化算法，这里选取移动渐进算法MMA，设置最大迭代步数为500，设置收敛精度为1E-4。
6.根据权利要求5所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，步骤(4a)中，网格剖分可以用四边形网格，也可以采用三角形网格，局部曲率大的地方还需要进行网格细化。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，确定流道几何参数，建立冷板的几何模型，包括如下步骤：
(5a)根据步骤(4)所得的结果，对结果进行滤波处理，并输出，滤波处理按照以下方式：
其中，γ为设计变量；
(5b)根据步骤(5a)所得的结果，在CAD软件中通过B样条进行插值拟合，确定流道高h，获得光滑的切面流道图，然后根据冷板的尺寸参数进行三维造型，建立冷板三维几何模型。
8.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中，建立冷板的有限元模型，包括如下步骤：
(6a)对将三维冷板几何模型导入到CAE软件中，根据功率器件的参数设置冷板分析的边界条件；
(6b)根据冷板几何模型尺寸，设定网格尺寸大小，对其进行网格剖分，获得冷板有限元模型；
(6c)根据冷却设备信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压流体流动边界条件；
(6d)根据功率器件的表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件。
9.根据权利要求7所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(6c)中，
根据冷却设备信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压流体流动边界条件为入口流速v0、入口温度T0和出口静压p0；
所述步骤(6d)中，根据功率器件的表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件。
10.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(8)中，温度分布均方根值RMS T通过下式计算：
其中，为平均温度，T i为结点温度，N为结点总数。
一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法技术领域
[0001]本发明属于电子设备领域，具体涉及基于拓扑优化的电子设备散热冷板流道设计方法，可用于指导高功率电子设备散热的冷板设计。
背景技术
[0002]随着电子和微电子技术的飞速发展，电子设备的尺寸越来越小，系统组装密度越来越高，从而导致了电子设备的热流密度越来越大。高热流密度将对电子设备产生一系列的影响，例如在固态雷达发射机中，功率晶体管的结温每增加10℃，其可靠性就会下降60％；美军整体计划分析报告中指出，电子设备的失效55％是由温度引起的，另外“10℃法则”也指出，半导体器件的温度每升高10℃，其可靠性就会降低50％。因此，对高热流密度电子设备进行高效的散热，是保证电子设备正常工作的基础，也是提高其可靠性的重要途径。
[0003]液冷冷板由于其结构简单、冷却效率高等特点，在高热流密度电子设备的冷却中得到了广泛的应用。常见的冷板有S形流道冷板、Y形流道冷板和Z形流道冷板等，冷板的流道形式一般都是依靠经验来进行设计。然而这样的设计方式无法全面考虑流道占冷板总体积的合理性，对于热源呈现复杂布局的情况也无法给出高效、合理的流道布局。
发明内容
[0004]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于拓扑优化技术的冷板流道设计方法，该方法能够合理考虑管道占冷板体积比重并实现冷板高效散热、改善温度分布的均匀性，对指导电子设备的冷板设计有重要意义。
[0005]本发明是通过下述技术方案来实现的。
[0006]一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法，包括如下步骤：
[0007](1)根据电子设备的装配图，确定其中功率器件的表面热流密度Q和冷板的外框尺寸参数；
[0008](2)根据电子设备所采用的冷却泵，确定冷板入口的独立参数和冷却液热属性参数；
[0009](3)根据冷板所要达到的目标以及功率器件参数、冷板外框尺寸参数以及冷板入口的独立参数，建立冷板拓扑优化模型，并确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；
[0010](4)根据拓扑优化模型，进行分析求解，获得冷板流道的拓扑形状；
[0011](5)根据拓扑优化所得的冷板流道拓扑形式，确定流道几何参数，建立冷板的三维几何模型；
[0012](6)根据冷板的三维几何模型，建立冷板的有限元模型，并施加冷板的边界条件；
[0013](7)根据冷板的有限元模型以及冷板入口的独立参数，采用CFX软件分析计算冷板表面的温度分布；
[0014](8)根据冷板表面的温度分布，计算温度分布均方根值RMS T ，判断是否满足所需要
说 明 书
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