项目名称: 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

项目编号: No.11302174

项目类型: 青年科学基金项目

立项/批准年度: 2014

项目学科: 数理科学和化学

项目作者: 许英杰

作者单位: 西北工业大学

项目金额: 23万元

中文摘要: 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。

中文关键词: 对流边界;热力耦合行为;优化设计;复合材料与结构;

英文摘要: 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.

英文关键词: convective boundary;thermal-mechanical behaviors;optimal design;composites and structures;

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