基于组件思想和边界元模拟的注塑成型随形冷却管道流-热耦合拓扑优化方法

With increasing demand of the injection molding industry and development of the 3D print technique, the conformal cooling system has received a great attention. However the corresponding free design method is still a major problem, and the current flow-thermal topology optimization methods are facing several difficulty on the conformal cooling design. Aiming at the controllable cooling rate and reducing the shrinkage difference, the research plans in this proposal includes: using the moving morphabel components topology optimization methods to describe the channels explicitly, calculate the local geometry constraints analytically, and design the locations of the channel ends; using the boundary element method to avoid the large scale of 3D mesh and consider the effects of the turbulent coolant; establish the indirect objective of the volume shrinkage difference based on the virtual shrinkage-temperature derivate to solve the problem of unavailable sensitivities. The research achievements of this project can assist the engineers to design conformal cooling channels and it is also an extension of the current optimization methods.

随着注塑工业制品需求的增长和3D打印技术的兴起，随形冷却管道以其优越的冷却性能受到广泛关注，但目前相关优化设计方法研究仍属起步阶段，尚未实现管道自由设计，而现有流-热耦合拓扑优化方法在该问题上也存在诸多困难。针对该研究瓶颈，本申请以实现冷却过程温度可控与降低制品收缩差异为目标，发展随形冷却管道的自由设计方法。针对当前流-热耦合拓扑优化中存在的问题展开如下研究：研究针对管道流-热耦合的组件拓扑优化方法，来解决管道显示描述、局部尺寸约束与端口位置设计的问题；研究可借用简化流体计算模型的流-热耦合分析方法，从而考虑冷却介质的湍流运动，并发展相应的边界元算法来避免3D网格剖分困难；再进一步针对制品收缩差异目标难于灵敏度分析的问题，研究收缩-温度的虚拟导数方法，进而建立相应的间接优化目标。此项课题的研究成果可以为从事与模具设计相关的工程人员提供高效可靠的辅助工具，也是对现有的拓扑优化理论方法的扩展。

本项目围绕注塑成型随型冷却管道拓扑优化设计这一核心目标取得了如下研究成果：发展了基于边界元的流热耦合拓扑优化设计方法，其中分别提出了基于固定初始管道网络的拓扑优化模型以及基于虚拟介质流动的组件拓扑优化方法，与一般的拓扑优化方法相比，该类方法无需求解复杂的湍流N-S方程和对具有大面体比结构的网格进行剖分。该成果不仅可以大幅度提高原有冷却系统的冷却效率和冷却均匀性，还可以针对制品的收缩差异调整冷却管道布局，进而针对制品的翘曲变形进行优化设计。此外，本项目开发了基于OpenFoam软件的拓扑优化设计程序，采用了优化模型对冷却系统设计进行了研究，其中包括了针对二维结构的组件拓扑优化方法和三维结构的流-热-力三相耦合拓扑优化设计，在提升冷却效果的同时考虑了管道对结构刚度的影响。项目执行期间，共发表SCI论文9篇，其中JCR1区论文3篇，相关成果取得软件著作权一项。