冷却通道结构广泛应用于芯片、电池以及模具等产品和装备中。冷却液在产品及装备内部循环流动,以对流换热的方式将热源处的热量传递到外部,是一种效率较高的散热方式。冷却通道在结构中的布置形式直接影响结构的散热性能。通过改变通道的进出口位置及内部形式可以满足工程上的各种散热要求,比如:降低指定区域内的最高温度、或保证特定区域内的温度均匀等。对冷却通道的布置进行优化设计,提供良好的工作温度是保证元件及装备正常工作、延长其使用寿命的关键。在冷却通道的设计过程中,除了考虑通道内部流体流动对温度场的影响外,还需要考虑通道空腔对结构强度的影响。比如,在热冲压水冷模具工作过程中,模具表面一方面受到高温板料的热载荷,一方面受到模具合模后产生的表面压力。因此,在对冷却效率及结构强度等指标进行分析时,需要构建一个多物理场耦合的模型,对流速场、温度场和位移场进行描述。此外,受加工工艺等条件的限制,还需要考虑通道的尺寸约束对冷却通道布局的影响。传统的冷却通道布置设计主要采用以通道尺寸参数为设计变量的方法,该方法受尺寸及形状等优化参数范围的限制,可行解空间被压缩,将潜在的可行解排除在外。拓扑优化是一种以拓扑结构为变量的设计方法,可以较好的克服参数优化带来的限制。通过与3D打印等制造技术的结合,拓扑优化设计的结果可以直接应用于产品的制造,可省略复杂的参数设计过程,进一步的减少设计成本。本文针对冷却通道布置提出几种典型结构的拓扑优化方法,包括:二维截面圆形通道设计、二维截面多种材料设计、二维平面布置设计和三维通道布置设计等。通过包括热冲压模具在内的各工程应用实例对以上优化方法的实现过程进行介绍。主要研究工作包括:(1)在以通道二维截面布置形式为拓扑变量的冷却通道布置问题中,考虑热力耦合条件下结构强度的影响。根据圆形直通道的特性建立等效的温度场模型,用均匀流体速度场代替湍流速度场,构建等效对流换热方程。通过添加设计变量相关的等效有限元弱形式对流道入口温度边界进行描述。建立考虑热应力的热-力耦合模型,对模具结构的热机械性能进行描述。通过引入离散体过滤法得到截面上的圆形通道拓扑结构,并通过加入几何约束以解决离散体过滤法导致的两种过滤投影相互混合的问题。分别以模具表面的温度均匀性、位移均匀性为优化目标及约束条件,构建拓扑优化列式。分别以简单的平顶模具和复杂U形模具的冷却通道截面布置问题为例验证了该方法的可行性。(2)在冷却通道形状不局限于圆形的二维截面设计问题中,考虑固体、液体及气体三种材料的影响。引入两组设计变量,并通过其乘积的插值形式,对三种材料属性进行描述。采用等效对流换热方程和热-力耦合方程对冷却通道设计中的温度场和位移场进行描述。通过引入几何约束克服液体和气体相接触以及液体和设计域边界相接触的“不合理”设计现象。引入最小尺寸约束消除微小结构。以平均温度为优化目标,位移均匀性为约束条件构建优化列式。以简单模型冷却通道布置问题为例,先对优化流程进行讨论,再对材料参数的影响进行了讨论。根据合理的优化流程对复杂的型面的热冲压模具内部的冷却通道布置进行拓扑优化。(3)在平面布置的优化设计问题中,构建基于设计变量相关的等效扩散系数的Darcy渗流模型对湍流模型进行等效,并通过不同结构和不同有限单元网格的对比验证等效模型的可靠性。引入压力降约束和几何约束,以平均温度为优化目标构建优化列式。首先以模型较为简单的散热板内部冷却通道的平面布置问题为例,对优化过程中的各个参数设置及优化过程进行讨论并总结出较为合理的优化参数设置方法。再根据该参数设置方法对较为复杂的散热板冷却通道布局进行拓扑优化,并在该实例中给出了不同压降约束和不同雷诺数的条件下冷却通道的分布形式,讨论压降和雷诺数对冷却通道分布的影响。(4)将二维平面的Darcy渗流模型的拓扑优化方法扩展到三维空间中,以克服二维模型的限制。以 PETSc(Portable,Extensible Toolkit for Scientific Computation)为平台建立并行计算优化设计程序。各物理场的有限元方程组采用并行处理的矢量和稀疏矩阵进行存储。通过带有预条件子法的Krylov子空间法进行大规模线性方程组的并行求解。通过Darcy渗流速度场对湍流速度场进行描述,并将该速度场耦合到对流换热方程中进行温度场分析。以特定区域的平均温度为优化目标,考虑压力降约束和体积约束构建优化列式。通过伴随法对目标函数和约束函数的灵敏度进行求解。以三维冷却通道布置设计问题为例,通过基于PETSc的优化分析程序和商业代码的优化结果进行对比,验证自主开发程序的可靠性。由于篇幅有限,本文所涉及的研究内容未能涵盖内置冷却通道的所有产品和装备,同时也未能涵盖某些产品的其它功能,如考虑电磁效应等。本文主要侧重点在于给出冷却通道布置的拓扑优化方法,解决工程上考虑热力载荷和轻量化需求的冷却通道布置问题。