流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

作     者：李荣启 闫涛 何智成 米栋 姜潮 郑静 

作者机构：中国航发湖南动力机械研究所 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室 

出 版 物：《中国机械工程》 (China Mechanical Engineering)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：国家自然科学基金联合基金（U20A20285） 湖南省杰出青年基金（2021JJ10016） 湖南省创新领军人才（2022RC3038） 

主　　题：拓扑优化 变密度法 多物理场 高性能结构 

摘      要：拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑了热-力耦合或者流-热耦合的设计，且大多局限于简单结构，还未考虑流-热-力三场共同作用下的设计，限制了结构性能的提升。本文针对流-热-力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战，提出了一种流-热-力耦合拓扑优化方法，提升复杂结构的承温能力。首先，引入流场、温度场和结构位移场的控制方程，对计算域的流固材料进行统一表征。其次，以最小化平均温度为目标，流动能量耗散和结构柔度为约束，建立了流热力耦合的拓扑优化模型，并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析。最后，将建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计，得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。