考虑对流边界条件设计相关效应的热力耦合拓扑优化设计研究

Considering the design of thermo-mechanical structure under convection boudary condition, for instance the design of coolant passages of turbine blade, hot stamping die and plastic injection mold, the research of topology optimization of thermo-mechanical structure with design-dependent convection boundary condition is proposed in the presented work, which is a challenging problem in topology optimization due to the simultaneous existence of design-dependent convection boundary condition and thermal stress. Considering the limitations of density-based method, the level set function will be used to implicitly represent the structural boundary and a level set-based topology optimization method considering design-dependent convection boundary will be developed for thermo-mechanical problems. The convection boundaries and thermal stresses will be imposed according the spatial relation of the level set function defined material boundary and the fixed elements. The quadtree method will be applied to refine the Gauss point to obtain the thermal-mechanical responses such as the dispalcement, temperature and stress with high accuracy. The theoritical method and numerical implementation technology for designing the coolant passages of turbine blade and will be provided by the proposed research.

本项目针对对流边界条件下的热力耦合结构设计，如工程实际中涡轮叶片、热冲压和注塑模具的冷却通道设计，提出考虑对流边界条件设计相关效应的热力耦合拓扑优化设计研究这一科学问题。该类问题中同时存在对流边界条件和热应力载荷的设计相关性，代表了目前拓扑优化领域的前沿科学问题。考虑变密度拓扑优化方法处理载荷、边界条件设计相关性拓扑优化问题的局限性，本项目拟采用水平集函数定义结构设计域，建立对流边界下热力耦合拓扑优化问题的水平集求解方法。根据水平集函数与固定网格单元的空间位置，实现对流边界条件和热应力载荷的等效施加。通过四叉树方法对固定网格下的材料-空洞混合单元进行高斯点加密，实现位移、温度、应力响应的高精度计算。项目研究成果可为叶片和模具冷却通道等热力耦合结构的设计提供理论方法和技术支撑。

本项目面向对流边界条件下材料与结构的热力耦合行为预测与优化设计这一科学问题，围绕以下三个方面开展研究：（1）研究了多组分材料域的水平集函数定义方法，开展了多组分复合材料热力耦合性能的数值预测；（2）研究了对流边界下碳纤维氧化过程的水平集函数定义方法，开展了碳纤维陶瓷基复合材料氧化环境下的力学行为预测；（3）开展了注塑成型制品的成型→性能→行为多级分析，研究了注塑成型模具温度对成型后制品力学行为的影响，实现了面向服役行为的注塑成型模具与工艺优化设计。.研究取得如下成果：（1）针对多组分复合材料，通过水平集函数的取值判断材料空间分布，建立了多组分复合材料的微结构有限元计算模型，采用多尺度细观力学方法，计算得到材料的热力耦合性能，计算结果和试验结果吻合较好，验证了所提方法的合理性；（2）针对氧化环境中热对流载荷下的碳纤维陶瓷基复合材料，基于水平集函数模拟了氧化过程中碳纤维形貌的演化，构造了复合材料微结构的动态演化模型，采用细观力学方法计算得到材料的热力耦合性能，在此基础上分析获取了温度、压力、对流边界对材料性能演化的影响规律；（3）针对注塑成型模具设计问题，建立了注塑成型制品的成型→性能→行为多级分析方法，开展了注塑成型过程的热力耦合有限元计算，构造了注塑成型模具温度和成型后制品力学行为的关联表征模型，搭建了面向服役行为的注塑成型模具与工艺优化设计体系。研究成果发表SCI索引论文7篇，授权发明专利1项、申请发明专利2项，培养硕士研究生3人。.项目取得的研究成果为解决对流边界条件下多组分复合材料与结构的热力耦合行为预测与优化设计问题提供了有效的思路和方法，对于工程实际中的注塑成型模具设计问题，传统的模具设计大多只考虑制品的成型几何精度控制，本项目搭建的面向服役行为的注塑成型模具与工艺优化设计体系，进一步考虑了制品的服役行为指标，在一定程度上拓展了注塑成型模具的设计效果。