本發(fā)明涉及材料工程，具體為具有定向流道的高效散熱片狀晶格結(jié)構(gòu)生成方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、3d打印是通過離散-堆積，使材料逐點逐層累積疊加形成三維實體的技術(shù)，能夠快速精密地制造出復(fù)雜形狀的零件。在汽車工程中，可以利用3d打印制造出具有定向流道的片狀晶格結(jié)構(gòu)的零件，可以用于優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，提高冷卻效率，降低發(fā)動機(jī)溫度。在這類零件的設(shè)計階段，現(xiàn)有技術(shù)采用基于tpmp(三周期極小曲面)的片狀結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的控制參數(shù)有限，而基于水平集拓?fù)鋬?yōu)化的方法相對參數(shù)化方法生成效率一般，都會直接或間接的影響設(shè)計效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供具有定向流道的高效散熱片狀晶格結(jié)構(gòu)生成方法及系統(tǒng)，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)骨架快速高效地生成片狀晶格結(jié)構(gòu)，并通過參數(shù)控制調(diào)整結(jié)構(gòu)，同時參數(shù)化描述帶來了高效存儲和切片的優(yōu)勢。還能夠?qū)崃黢詈贤負(fù)鋬?yōu)化的流道融入片狀晶格結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮片狀晶格結(jié)構(gòu)表面連續(xù)、光滑，比表面積大，力學(xué)性能優(yōu)異的優(yōu)點，形成兼具高效散熱性能與高剛度的輕量化夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個方面提供具有定向流道的高效散熱片狀晶格結(jié)構(gòu)生成方法，包括以下步驟：

4、在立方體空間內(nèi)定義節(jié)點與連接關(guān)系，形成晶格單胞結(jié)構(gòu)骨架；對得到的單胞骨架進(jìn)行周期性排列并去重，得到骨架陣列；初始化生成參數(shù)，定義目標(biāo)平面，在得到的結(jié)構(gòu)骨架陣列中提取優(yōu)化的初始設(shè)計；

5、利用navier-stokes方程描述不可壓縮穩(wěn)態(tài)層流，構(gòu)建以最大化熱量傳遞為目標(biāo)，流體區(qū)域面積與壓力損失為約束的優(yōu)化問題，通過對優(yōu)化問題求解，獲得優(yōu)化的流道設(shè)計與對應(yīng)的骨架參數(shù)；

6、根據(jù)得到的骨架參數(shù)，定義生成函數(shù)，構(gòu)建符號距離場，從符號距離場中提取片狀晶格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，通過骨架參數(shù)控制片狀晶格結(jié)構(gòu)的流道直徑，生成具有定向流道特征的片狀晶格結(jié)構(gòu)；

7、根據(jù)輸入曲面，構(gòu)建保形的六面體網(wǎng)格，將位于立方體空間內(nèi)，并且周期性排列而成的規(guī)則片狀晶格，映射到保形的六面體網(wǎng)格空間內(nèi)，形成保形的夾芯晶格結(jié)構(gòu)。

8、進(jìn)一步的，對單胞骨架進(jìn)行周期形排列，去除重復(fù)骨架，初始化生成參數(shù)后，骨架中每個桿被賦予半徑參數(shù)d；在骨架陣列中定義目標(biāo)平面，提取目標(biāo)平面內(nèi)的骨架，并根據(jù)骨架定義符號距離場，得到熱流耦合拓?fù)鋬?yōu)化的初始設(shè)計。

9、進(jìn)一步的，利用navier-stokes方程描述不可壓縮穩(wěn)態(tài)層流，構(gòu)建以最大化熱量傳遞為目標(biāo)，流體區(qū)域面積與壓力損失為約束的優(yōu)化問題，具體為：

10、構(gòu)建流體流動模型，利用navier-stokes方程描述不可壓縮穩(wěn)態(tài)層流，利用brinkman懲罰項作為引入的虛擬體積力，表示對于流體流動的阻力和流動能量的損耗；

11、根據(jù)navier-stokes方程得到的速度場u，基于能量守恒方程計算溫度；

12、構(gòu)建以最大化熱量傳遞為目標(biāo)，以流體區(qū)域面積與壓力損失為約束的優(yōu)化問題。

13、進(jìn)一步的，通過對優(yōu)化問題求解，獲得優(yōu)化的流道設(shè)計與對應(yīng)的骨架參數(shù)；具體為：利用有限元方法進(jìn)行求解，利用自動微分計算優(yōu)化變量對壓力損失約束和溫度目標(biāo)的靈敏度，利用移動漸近線法對優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到優(yōu)化的骨架參數(shù)集合{di}。

14、進(jìn)一步的，根據(jù)得到的骨架參數(shù)，定義生成函數(shù)，構(gòu)建符號距離場，具體為：構(gòu)建基于骨架的參數(shù)化生成模型；根據(jù)結(jié)構(gòu)骨架、半徑參數(shù)和光滑參數(shù)，構(gòu)建光滑曲面生成函數(shù)；通過在距離函數(shù)中加入厚度參數(shù)，分別建立對應(yīng)片狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外邊界的距離函數(shù)。

15、進(jìn)一步的，從符號距離場中提取片狀晶格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，通過骨架參數(shù)控制片狀晶格結(jié)構(gòu)的流道直徑，生成具有定向流道特征的片狀晶格結(jié)構(gòu)；具體為：將優(yōu)化的骨架參數(shù)集合{di}導(dǎo)入到參數(shù)化生成模型中，通過控制片狀晶格結(jié)構(gòu)中的管道半徑實現(xiàn)流量控制，形成定向流道設(shè)計，生成具有定向流道特征的片狀晶格結(jié)構(gòu)。

16、進(jìn)一步的，根據(jù)輸入曲面，構(gòu)建保形的六面體網(wǎng)格，將位于立方體空間內(nèi)，并且周期性排列而成的規(guī)則片狀晶格，映射到保形的六面體網(wǎng)格空間內(nèi)，形成保形的夾芯晶格結(jié)構(gòu)；具體為：

17、輸入目標(biāo)光滑曲面，使用調(diào)和參數(shù)化方法將目標(biāo)曲面映射到二維正方形平面得到每個頂點的映射關(guān)系；

18、根據(jù)輸入的分辨率參數(shù)nelx，nely，分別表示在x軸和y軸上的單元數(shù)，在二維正方形平面上分布nelx×nely的規(guī)則網(wǎng)格；

19、通過三點插值，根據(jù)得到的映射關(guān)系，將平面上網(wǎng)格頂點映射回到輸入的立體曲面上，得到網(wǎng)格頂點的空間坐標(biāo)；

20、計算輸入曲面上空間網(wǎng)格頂點位置處的法向量，將曲面上的空間網(wǎng)格頂點沿著法向量進(jìn)行偏移，得到保形的六面體網(wǎng)格；

21、將片狀晶格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型進(jìn)行保形映射；計算網(wǎng)格模型的頂點所屬單胞對應(yīng)的立方體單元，計算頂點在立方體單元的相對坐標(biāo)(x,y,z)，使用雙線性插值得到頂點在對應(yīng)保形六面體單元的坐標(biāo)(x′,y′,z′)，得到保形的片狀晶格結(jié)構(gòu)。

22、本發(fā)明的第二個方面提供具有定向流道的高效散熱片狀晶格結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，包括：

23、骨架生成模塊，被配置為：在立方體空間內(nèi)定義節(jié)點與連接關(guān)系，形成晶格單胞結(jié)構(gòu)骨架；對得到的單胞骨架進(jìn)行周期性排列并去重，得到骨架陣列；初始化生成參數(shù)，定義目標(biāo)平面，在得到的結(jié)構(gòu)骨架陣列中提取優(yōu)化的初始設(shè)計；

24、熱流耦合拓?fù)鋬?yōu)化模塊，被配置為：利用navier-stokes方程描述不可壓縮穩(wěn)態(tài)層流，構(gòu)建以最大化熱量傳遞為目標(biāo)，流體區(qū)域面積與壓力損失為約束的優(yōu)化問題，通過對優(yōu)化問題求解，獲得優(yōu)化的流道設(shè)計與對應(yīng)的骨架參數(shù)；

25、參數(shù)化生成模塊，被配置為：根據(jù)得到的骨架參數(shù)，定義生成函數(shù)，構(gòu)建符號距離場，從符號距離場中提取片狀晶格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，通過骨架參數(shù)控制片狀晶格結(jié)構(gòu)的流道直徑，生成具有定向流道特征的片狀晶格結(jié)構(gòu)；

26、保形映射模塊模塊，被配置為：根據(jù)輸入曲面，構(gòu)建保形的六面體網(wǎng)格，將位于立方體空間內(nèi)，并且周期性排列而成的規(guī)則片狀晶格，映射到保形的六面體網(wǎng)格空間內(nèi)，形成保形的夾芯晶格結(jié)構(gòu)。

27、本發(fā)明的第三個方面提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述具有定向流道的高效散熱片狀晶格結(jié)構(gòu)生成方法中的步驟。

28、本發(fā)明的第四個方面提供一種計算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機(jī)程序，處理器執(zhí)行程序時實現(xiàn)上述具有定向流道的高效散熱片狀晶格結(jié)構(gòu)生成方法中的步驟。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，以上一個或多個技術(shù)方案存在以下有益效果：

30、1、利用輸入的結(jié)構(gòu)骨架，使用熱流耦合拓?fù)鋬?yōu)化方法對骨架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最小化壓力損失與最大化熱量傳遞的流體流道，通過定義片狀結(jié)構(gòu)的參數(shù)化生成方法結(jié)合優(yōu)化后的骨架參數(shù)，生成具備定向流道特征的片狀晶格結(jié)構(gòu)，得到片狀晶格結(jié)構(gòu)的過程相較于現(xiàn)有方法更加快速高效，并可以通過參數(shù)控制來調(diào)整晶格的結(jié)構(gòu)，同時參數(shù)化的描述方式帶來了高效存儲和切片的優(yōu)勢。

31、2、將熱流耦合拓?fù)鋬?yōu)化的流道融入片狀晶格結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮片狀晶格結(jié)構(gòu)表面連續(xù)、光滑，比表面積大等力學(xué)性能優(yōu)異的優(yōu)點，還可以根據(jù)輸入曲面，形成保形的輕量化散熱夾芯結(jié)構(gòu)，形成兼具高效散熱性能與高剛度的輕量化夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠滿足車輛工程中對強(qiáng)度和散熱的需求。