本发明涉及结构拓扑优化设计，特别涉及一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法。
背景技术：
1、电池冷板作为电动汽车、便携式电子设备等领域中的重要组件，其散热效果对电池性能和寿命具有重要影响。传统的电池冷板流道设计中存在一些问题。首先，电池冷板流道设计往往受到电池尺寸约束的限制，如电池排列方式和整体尺寸等，导致流道设计的自由度受限，难以达到最优的散热效果。其次，常规的流道设计往往仅考虑单一优化目标，例如最小化热阻或最大化冷却效率，而忽视尺寸约束条件对流道设计的影响。
2、在流体力学和热传导领域的研究表明，优化的流道设计可以提高冷却液体的流动速度和温度均匀度，减小温度梯度，从而提高散热效率。同时，流道的形态和结构对液体的流动阻力和热阻有重要影响。
3、在现有的优化方法中，拓扑优化方法被广泛应用于流道设计。目前的拓扑优化方法主要有变密度法，水平集法，均匀化方法，渐进结构优化方法等。然而，这些方法主要关注流道形态的优化，未能考虑到尺寸约束的限制。
4、为了解决以上问题，有限元分析等多目标优化方法被提出，并在一定程度上改善了传统流道设计结果。然而，这些方法仍未完全解决考虑尺寸约束的电池冷板流道优化问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明旨在提出一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，以在考虑尺寸约束的基础上改善传统流道优化问题。
2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
3、一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，所述拓扑优化方法包括以下步骤：
4、(1)建立具有入口和出口的二维冷板模型，确定冷板拓扑优化参数和冷却液的热物理参数，随后将所述二维冷板模型中的设计域离散成n个有限单元；
5、(2)依次以最小过滤半径和最大过滤半径对各所述有限单元进行两次密度过滤和投影，将获得的两个投影场逐点相乘后，得到单元物质密度，以满足最小和最大尺寸约束；
6、(3)获取冷板和冷却液的反渗透率、热传导系数，采用插值函数描述所述反渗透率、所述热传导系数与所述单元物质密度之间的关系；
7、(4)基于所述反渗透率、所述热传导系数与所述单元物质密度之间的关系，以所述冷板的表面平均温度与流体流动耗散功为优化目标，建立考虑尺寸约束的电池冷板拓扑优化模型；
8、(5)根据所述冷板拓扑优化模型，选择二维求解器分析求解；
9、(6)收敛判断，若满足收敛条件，即获得所述冷板流道的设计方案，若不满足收敛条件，则重复步骤(2)至(5)。
10、进一步的，所述步骤(1)中确定冷板拓扑优化参数和冷却液的热物理参数还包括以下步骤：
11、所述冷板拓扑优化参数包括入口处的冷却液的温度tin、入口处的冷却液的流速uin、热源发热量ft、和出口处的压力p0；
12、所述冷却液的热物理参数包括导热系数k、密度ρ、定压比热容cp和动力粘度μ。
13、进一步的，所述步骤(2)还包括以下步骤：
14、(2a)对所述有限单元进行第一次密度过滤和投影，首先进行密度过滤；
15、
16、其中，rmin为最小过滤半径，γ1为第一次过滤前的单元密度，为第一次过滤后的单元密度，将第一次过滤后的单元密度进行投影变换，得到第一次投影后的单元密度γt1；
17、
18、其中，γt1是第一次投影后的单元密度，γβ1是第一次的投影点，β1是第一次的投影斜率；
19、(2b)对第一次过滤和投影后的设计变量进行第二次密度过滤和投影，首先进行密度过滤；
20、
21、其中，rmax为最大过滤半径，为第二次过滤后的单元密度，将第二次过滤后的单元密度进行投影变换，得到第二次投影后的单元密度γt2；
22、
23、其中，γt2是第二次投影后的单元密度，γβ2是第二次的投影点，β2是第二次的投影斜率；
24、(2c)经过两级过滤和投影后，将两个投影场逐点相乘得到单元物质密度；
25、γ＝γt1γt2
26、其中，为两次过滤和投影后的单元物质密度。
27、进一步的，所述步骤(3)中，采用插值函数描述反渗透率和热传导系数与所述单元物质密度之间的关系；
28、
29、k＝ks+γ(kf-ks)
30、其中，下标s表示固体材料，下标f表示流体材料，q为反渗透率的惩罚因子，αf，αs分别为流体域和固体域的反渗透率，kf，ks分别表示流体和固体的导热系数，αs定义为：
31、
32、其中，μin是所述入口处流体的动力粘度，da是达西数，定义了粘性力和多孔介质摩擦力之间的比率，l是所述入口的特征长度。
33、进一步的，所述步骤(4)包括以下步骤：
34、(4a)根据热控要求，构建拓扑优化目标函数并根据冷板表面最小平均温度与流体流动最小耗散功获得所述拓扑优化目标函数
35、
36、ωt+ωf＝1
37、
38、
39、其中，表示平均温度，表示流体流动功耗，ωt表示平均温度加权系数，ωf表示流体功耗加权系数，为温度归一化常数，为功耗归一化常数，ω为拓扑优化设计域，t为温度，μ为流体动力粘度，α为反渗透率，u为流体运动速度，x为空间直角坐标系,i,j分别为不同坐标的角标；
40、(4b)基于拓扑优化方法、共轭传热和流体流动控制方程，建立拓扑优化模型；
41、findγ
42、minimize
43、subject to
44、
45、
46、∫ωγdω/∫ω1dω≤vf
47、0≤γ≤1
48、其中，γ为拓扑优化的设计变量，为哈密顿算子，u为流体运动速度，ρ为密度，p为压力，α为反渗透率，cp为定压比热容，k为导热系数，ft为热源发热量，vf为流体域体积分数。
49、进一步的，所述步骤(5)中，根据所述拓扑优化模型，选择二维求解器分析求解，包括如下步骤：
50、(5a)根据所述冷板拓扑优化模型，进行有限元网格划分；
51、(5b)采用伴随法进行灵敏度计算，通过优化算法，更新设计变量γ。
52、进一步的，所述步骤(5a)中，有限元网格划分可以采用自由四边形网格，自由三角形网格，映射网格或扫掠网格；
53、所述步骤(5b)中，优化算法选用移动渐近线算法mma。
54、进一步的，所述步骤(6)中，拓扑优化结果收敛的条件为：
55、
56、其中，为当前迭代得到的目标函数值，为上一代迭代得到的目标函数值，e为目标函数值的允许误差。
57、相对于现有技术，本发明具有以下优势：
58、本发明所述的考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法通过将局部约束隐式的集成到材料的插值函数中，在优化中自动满足，从而减少了约束数量。两次密度过滤和投影一方面可以避免优化结构出现棋盘格现象，另一方面通过调整最小过滤半径和最大尺寸控制半径，即可达到协同控制优化尺寸的目的，使得整个冷板流道结构满足理想中的均布尺寸要求，同时得到更多种的构型以满足制造要求。
59、另外，本发明所述的考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法结合了尺寸优化技术和拓扑优化算法的知识，通过在考虑尺寸约束的前提下，实现电池冷板流道的最优设计，从而提高电池冷板散热效果，优化电池工作环境，提升电池系统的性能和寿命。
1.一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中确定冷板拓扑优化参数和冷却液的热物理参数，还包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用插值函数描述反渗透率和热传导系数与所述单元物质密度之间的关系；
5.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：
6.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据所述拓扑优化模型，选择二维求解器分析求解，还包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤(5a)中，有限元网格划分可以采用自由四边形网格，自由三角形网格，映射网格或扫掠网格；
8.根据权利要求1所述的一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤(6)中，拓扑优化结果收敛的条件为：
