考虑导热-辐射耦合换热的结构拓扑优化方法研究

【作者】 徐胜利； 杨文昭； 奚溪； 周演； 刘红； 王博；

【机构】 大连理工大学能源与动力学院； 工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室；

【摘要】 针对航天器辐射结构,为满足有限空间内高效散热和结构轻量化设计需求,提出了一种针对外太空散热结构的拓扑优化方法,能够实现辐射结构减重和散热多功能设计要求。基于SIMP法提出了一种在导热-辐射耦合的复杂换热条件下,兼顾结构减重和辐射热通量最大的拓扑优化方法。与单一辐射换热拓扑优化问题相比,可将辐射换热作为目标函数或者约束函数考虑,对复杂换热问题具有较强的适用性。针对结构总辐射热通量函数,采用伴随法推导了单元密度设计变量的灵敏度;采用净辐射法求解非参与性介质的辐射换热模型;采用移动渐近线方法进行梯度优化,从而使结构总辐射热通量最小。通过构建二维数值算例验证拓扑优化方法,得到不同材料体分比下的拓扑优化结果。结果表明,材料分布在定温边界、辐射边界附近。并且,通过导热-辐射耦合换热的拓扑优化方法可确定使结构总辐射热通量最大的传热路径,并使材料尽可能分布在辐射边界和高热流密度区域,从而保证热源产生的热量可以传递至辐射边界,强化自身与周围环境之间的换热能力。该拓扑优化方法能够在显著降低辐射结构重量的同时,最大限度地保证结构总辐射热通量最大。更多还原