让材料沿着热流“生长”——OptFuture 基于散热弱度的电子元器件导热基板拓扑优化
前言
在电子设备、能源装备以及承载散热一体化结构中，热量能否及时从发热区域传递到冷却边界，直接影响产品的工作温度、可靠性和使用寿命。
传统散热结构设计通常依赖工程经验：增加板厚、布置散热筋、局部开孔，或者扩大散热面积。这些方法虽然直观，但也常常带来新的问题——材料增加意味着质量与成本上升，而不合理的减材又可能切断关键导热路径，使局部温度迅速升高。
当材料用量受到限制时，一个更值得关注的问题是：有限的材料，究竟应该保留在哪里，才能让热量更顺畅地传递到冷却区域？
OptFuture CAE散热弱度拓扑优化为这一问题提供了新的解决思路。工程师只需定义热源、冷却边界、设计区域以及允许保留的质量分数，算法便可以根据温度场和热流分布，自动识别高效导热路径，逐步去除对传热贡献较小的材料。最终得到的，不再是一块被经验性开孔的完整板件，而是一套由热边界条件自然驱动形成的导热骨架。
散热弱度，衡量热量“传得顺不顺”
把热量传递想象成水流通过管道，当导热路径宽阔、连续时，热量能够更容易地从热源传向冷源；当路径狭窄、绕行或局部中断时，热量传递受到阻碍，热源附近便容易形成较高温度。
在拓扑优化中，散热弱度越小，通常意味着热量从热源传递至冷端的阻碍越小。它关注的不是某一点温度的偶然变化，而是整体导热路径是否连续、有效。
优化过程中，算法 会优先保留主要热流通道，去除低贡献区域，并在热源与冷端之间建立连续的材料路径。这一过程并不是简单地对原结构均匀减薄，而是通过合理规划导热路径，让材料主动向更有利于传热的位置集中。
案例：电子元器件导热基板拓扑优化
本案例以电子元器件导热基板为对象。模型中央设置平面尺寸为 30 mm × 30 mm、四角圆角半径为 5 mm、厚度为 3 mm 的等效热源，用于模拟功率电子元器件工作过程中的集中发热。热源接触区承担热量输入功能，安装孔承担装配固定功能，因此二者在优化过程中作为非设计区域保留。
材料与热源设置
中心加热区域设置大小为
的体热源。热源体积为
，对应热功率约 132 W。基板外缘边界设置为 25 ℃固定温度边界，用于模拟基板外缘与外部金属壳体或冷板连接后的散热条件，假设散热充分。其余区域不额外设置固定温度边界，使热量主要从中央热源区域向外缘冷端传递。
 热源位置 |  四周冷却边界 |
具体材料参数如下表所示：
拓扑优化过程中，并非所有区域都允许去除材料。热源安装槽需要保证热量稳定输入，基板安装孔需要保证装配完整性，因此二者设置为非设计域。同时，基板外缘为 25 ℃固定温度边界，承担主要散热作用。为保证优化前后冷端的位置和有效面积保持一致，外缘冷端同样设置为非设计域。其余基板主体作为设计区域，由算法根据目标函数与约束条件调整材料分布。
 非设计域-1：基板安装孔 |  非设计域-2：热源安装槽 |  非设计域-3：冷端边界 |
温度云图
热流密度云图
温度云图显示，原始模型最高温度为 78.44 ℃，高温区域集中在中央等效热源位置，并沿外缘冷端方向逐渐降低。热流密度云图显示，热量主要由中央热源区向外缘冷端传递，外缘固定温度边界承担主要散热作用。
该结果作为后续拓扑优化的对比基准，用于判断优化后结构在减材条件下的温度变化和导热路径变化。
以散热弱度最小化作为优化目标，质量分数作为材料用量约束，优化后结构保留原模型 80% 的材料质量。为避免优化结果出现过细支路或不规则非对称构型，本文同时设置尺寸约束下限为 3 mm，并施加 XZ、YZ 两个平面对称约束，使优化结构在满足最小特征尺寸要求的同时保持整体对称性。
目标函数
约束条件
制造约束
优化结果
优化后的温度分布
温度结果显示，优化后最高温度为 83.55 ℃，高温区域集中在中央热源位置，并沿外缘冷端方向逐渐降低。
优化后的热流密度分布
热流密度高值主要分布在热源周边及放射状连接区域，与优化后保留的材料通道基本对应。
综合温度场与热流密度分布可以看出，在减少 20% 材料质量的条件下，优化结构最高温度由原始模型的 78.44 ℃升至 83.55 ℃，增加 5.11 ℃。虽然部分材料被去除后结构整体导热截面有所减小，但优化结果仍保留了热源至外缘冷端之间的主要传热通道，并削减了对传热贡献较低的区域。结果表明，散热弱度优化能够在规定材料用量下优先保留关键导热路径，将减材造成的热性能损失控制在合理范围内。
引入模态目标
值得注意的是，导热基板不仅承担热量扩散功能，还需要满足安装固定、抗振和结构支撑要求。仅关注散热性能，可能导致局部连接过细、动力学性能下降，因此在前述散热弱度优化的基础上，进一步将模态作为优化目标，与散热弱度共同参与材料分布调整。
模态分析中，对四个基板安装孔施加固定约束，得到一阶固有频率为 5555.856 Hz。
加入模态作为优化目标
协同优化结果
优化后的温度分布
优化后的一阶振型
由优化前后对比可知，最终方案在质量分数为 80% 的条件下，最高温度为 85 ℃，较基准模型增加 6.56 ℃；一阶频率为 5422.148 Hz，整体仍保持在接近原始模型的水平。与单纯散热弱度优化方案相比，引入模态目标后最高温度进一步增加 1.45 ℃，表明模态目标对材料分布产生了额外约束。最终结果在减少材料用量的同时保留了主要导热路径，并将一阶频率下降控制在较小范围内，体现了导热性能与结构动力学性能之间的综合权衡。
版本适用性
本文中涉及到的软件界面展示和软件操作描述适用于OptFuture 2026.2.1。
结语
散热弱度拓扑优化不仅能够帮助工程师识别关键导热路径，还可以与力学目标结合，用于兼顾导热与动力学性能的协同设计。通过 OptFuture CAE，工程师可以从稳态热分析出发，进一步开展材料布局优化，使仿真结果从“验证温度是否满足要求”扩展到“指导结构如何生成”。OptFuture 将持续完善热拓扑优化能力，让仿真不仅用于发现问题，也能够进一步参与结构生成与产品创新。
