铝制散热片热优化：创新设计与性能提升

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铝制散热片的热优化通常涉及对散热片形状的优化，以提高其热性能。这种优化可以通过多种方式实现，包括改变散热片的几何形状、调整翅片的布局和尺寸，以及采用不同的制造工艺来改善热传导和对流效率。

在进行热优化时，会考虑散热片的材料属性，如导热系数，以及散热片与周围环境之间的热交换方式。铝因其轻质、高导热性和成本效益而成为散热片的理想材料。铝制散热片的使用温度一般在-40℃到+125℃之间，这使得它们适用于多种电子设备。

热优化的一个关键方面是提高对流换热效率。这可以通过增加散热片的表面积来实现，例如通过设计具有不同翅片高度和间距的散热片来增加与周围空气的接触面积，但是表面积不能无限增加，所以我们本篇文章的核心在于，指定最大体积的情况下，最小化模型的温度。同时，在还需要考虑风阻和气流阻塞（本篇文章不做介绍），以确保散热片设计不会阻碍空气流动，从而降低整体的散热效率。

在本教程中，您将对铝散热片示例执行形状优化。

在开始之前，请将本教程中使用的文件复制到您的工作目录。

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-5090/fins.zip

散热片基座的一部分经历q=8000 W/m2 的恒定热通量。周围空气的温度为283 K，相应的传热系数为H = 40 W/m2 • K。热传导系数为K = 221 W/m • K。散热片内的温度分布是通过求解热传导和对流Load Case来确定的。

图1.模型概述

优化问题的公式表述为：

Objective：最小化底座中心的温度。

Constraints：体积< 1.0e-5。

Designvariables：形状设计变量。

一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件

1.启动HyperMesh。

此时将打开User Profile对话框。

2.选择OptiStruct，然后单击OK。

这将加载用户配置文件。它包括相应的模板、宏菜单和导入阅读器，将HyperMesh的功能缩减为与生成OptiStruct模型相关的功能。

二、导入模型

1.点击File>Import>Solver Deck。

导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。

2.对于File type ，选择OptiStruct。

3.选择文件图标。

此时将打开Select OptiStruct文件Browser。

4.选择保存到工作目录的fins.fem文件。

5.单击Open。

6.单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。

三、设置优化

3.1在HyperMorph中创建形状

HyperMorph中的Freehand模块用于创建形状。

1.在Analysis页面中，单击optimization面板。

2.单击HyperMorph面板。

3.单击Freehand面板。

4.选择move nodes子面板。

5.将移动选项设置为translate。

6.输入平移距离。

您只想在x方向上扩展散热片。

a)在x= 字段中，输入0.03。

b)在y= 字段中，输入0.0。

c)在z= 字段中，输入0.0。

7.选择移动节点。

a)在移动节点下，单击nodes>by sets。

b)选择sh1_move，然后单击select。

选定的移动节点将高亮显示。

8.选择fixed nodes。

a)在固定节点下，单击nodes>by sets。

b)选择sh1_fix，然后单击select。

选定的固定节点将高亮显示。

9.选择受影响的单元。

a)在受影响的Element下，单击elems>by sets。

b)选择sh1_elem，然后单击select。

所选Element将高亮显示。

10.单击morph。

散热片沿x方向延伸。

11.保存形状。

a)选择save Shape子面板。

b)在name= 字段中，输入sh1。

c)将作为手柄perturbations切换到as nodeperturbations。

d)单击save。

创建形状设计变量的形状sh1。

12.单击undo all。

13.重复上述步骤，在原始模型上创建形状sh2 和sh3。相应的节点集（sh2_move/fix和sh3_move/fix）和Element集（sh2_elem和sh3_elem）是预定义的。

14.单击return两次返回Optimization面板。

3.2创建形状设计变量

1.单击shape面板。

2.选择desvar子面板。

3.从单个desvar切换到multiple desvars。

4.使用形状选择器，选择sh1、sh2和sh3。

5.在initial value字段中，输入0.0。

6.在下限字段中，输入-1.0。

7.在上限字段中，输入2.0。

8.单击create。

9.单击return转到优化面板。

从上一步中创建的形状创建三个形状设计变量。

3.3创建优化响应

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击Responses。

3.创建体积响应，它定义设计空间的体积分数。

a)在responses= 字段中，输入volume。

b)在响应类型下方，选择volume。

c)将regional selection设置为total和no regionid。

d)单击create。

4.创建温度响应。

a)在response= 字段中，输入temperature。

b)将响应类型设置为temperature。

c)单击nodes>by id，然后在id= 字段中输入2450。

d)单击create。

在节点2450 处创建温度响应。

5.单击return返回Optimization面板。

3.4创建设计约束

1.单击dconstraints面板。

2.在constraint= 字段中，输入vol。

3.单击response =并选择volume。

4.选中upper bound旁边的框，然后输入1.0e-5。

5.单击create。

6.单击return返回Optimization面板。

3.5定义目标函数

1.单击objective面板。

2.验证是否选择了min。

3.单击response并选择temperature。

4.使用loadsteps选择器，选择heat transfer subcase。

5.单击create。

6.单击return两次以退出Optimization面板。

创建了最小化节点2450 处温度的目标函数。

3.6定义SHAPE卡

默认情况下，_s#.h3d文件中仅提供位移和应力结果。要在HyperView中应用于模型的形状更改之上获得分析结果（位移/应力/温度），需要定义SHAPE卡。

1.在Analysis页面中，单击control cards面板。

2.在Card Image对话框中，单击SHAPE。

3.将FORMAT设置为H3D。

4.将TYPE设置为ALL。

5.将OPTION设置为ALL。

6.单击return两次返回主菜单。

四、运行优化

1.在Analysis页面中，单击OptiStruct。

2.单击save as。

3.在Save As对话框中，指定写入OptiStruct模型文件的位置，并输入fins_opt作为文件名。

对于OptiStruct求解器模型，建议使用.fem扩展名。

4.单击Save。

input file字段显示在Save As对话框中指定的文件名和位置。

5.将导出选项切换设置为all。

6.将run options切换设置为optimization。

7.将内存选项切换设置为memory default。

8.单击OptiStruct运行优化。

作业完成时，窗口中会显示以下消息：

OPTIMIZATION HAS CONVERGED.

FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).

如果存在错误消息，OptiStruct还会报告错误消息。文件fins_opt.out可以在文本编辑器中打开，以查找有关任何错误的详细信息。此文件将写入与.fem文件相同的目录。

9.单击Close。

五、查看结果

以下步骤演示了如何在HyperView中查看具有优化形状的温度云图。

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

2.在Load Results面板中，在Model和Results字段中加载fins_opt_s1.h3d文件。

3.单击Apply。

将加载包含分析和优化结果的.h3d文件。

4.在Results Browser中，选择Iteration 0。

5.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

6.将Result type设置为Grid Temperatures （s）。

7.单击Apply。

将显示铝散热片中的初始温度分布云图。

8.在Results Browser中，选择最后一次迭代。

9.在Contour面板中，将Result type设置为Shape Change （v）.

10.单击Apply。

将加载最终迭代时优化的形状。

11.将Result type设置为Grid Temperatures （s）。

12.单击Apply。

网格温度的云图现在应用于优化的形状之上。

图2.原始设计的温度分布

图3.优化设计中的温度分布。

来源：TodayCAEer

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2025-05-17

最近编辑：5小时前

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