一种歧管式微通道针肋拓扑保持鲁棒优化设计方法及系统

本发明涉及电子器件热管理结构的计算机辅助设计，具体涉及一种歧管式微通道针肋拓扑保持鲁棒优化设计方法及系统。

背景技术：

1、歧管式微通道通过上层歧管把冷却介质分配到多个短微通道，可缩短流动路径。针肋能够增强局部扰动和换热，但针肋尺寸、排数以及歧管层和微通道层的高度关系会同时改变热阻、局部压降和温度非均匀性。因此，在设计歧管式微通道针肋结构时需要在多个热流性能目标之间进行折中。

2、现有技术公开了歧管式微通道、拓扑优化翅片、有限元评价、多目标优化和几何输出。例如，us20210180880a1涉及歧管式微通道及拓扑优化翅片；wo2025223311a1/cn118551603b涉及微通道散热器的多目标拓扑优化、有限元评价和结构输出；cn119864329a公开了一种歧管结构的径向微通道散热器，其冷板层中心区域设有针肋阵列。然而，上述现有技术在处理针肋拓扑状态时仍存在以下不足：

3、当针肋特征尺寸比β和针肋排数n被作为相互独立变量枚举时，会生成β=0且n>0或β>0且n=0的无物理对应组合；

4、有针肋和无针肋样本被强制置于同一连续设计域时，候选生成和扰动传播可能跨越离散拓扑状态；

5、固定一组目标权重只能得到一个偏好点，不能量化候选在完整目标偏好域中的被选择稳定性；

6、仅根据偏好频率选解不能反映β、γ连续变化引起的性能波动；

7、仅输出比例和排数不能直接形成可供几何建模和仿真复核的实体结构输入。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足之处，提出一种歧管式微通道针肋拓扑保持鲁棒优化设计方法及系统，建立从“β—n针肋拓扑分支约束—分支内非支配候选生成—目标权重域偏好统计—拓扑保持连续参数扰动—名义偏好与性能波动联合确定—参数化cad/cae几何输出”的闭合设计链，避免把无物理对应的β—n组合或离散拓扑切换混入连续参数波动评价，并使目标结构的确定规则能够由编写的优化程序代码重复执行。

2、为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

3、首先，本发明提出一种歧管式微通道针肋拓扑保持鲁棒优化设计方法，包括以下步骤：

4、获取代表性歧管—短微通道单元的结构—性能样本集，每组样本包含结构参数向量和性能响应向量，所述结构参数向量包括针肋特征尺寸比β、歧管层高度比γ和针肋排数n；

5、按照β和n表征的针肋拓扑状态建立无针肋拓扑分支ω0和有针肋拓扑分支ω1，ω0满足β=0且n=0，ω1满足β>0且n属于预设正整数离散集合，并建立对应的性能预测路径；

6、在ω0∪ω1内生成候选，调用所属分支的性能预测路径获得名义性能预测值，按最小化支配关系形成非支配候选集；

7、将非支配候选集的各项名义性能预测值归一化，生成多组目标权重，计算各候选被选为最小加权理想点距离候选的偏好选择频率；

8、对偏好选择频率大于零的候选生成扰动样本，保持n不变，无针肋拓扑分支的β保持为0，两个拓扑分支的γ及有针肋拓扑分支的β在相应分支边界内扰动，经所属分支性能预测路径获得扰动预测值并计算响应变异系数；

9、计算随偏好选择频率增大而增大且随各响应变异系数算术平均值增大而减小的目标选择分值，确定目标结构参数向量；

10、根据目标结构参数向量及预设微通道净宽和高度计算针肋横向特征尺寸和歧管层高度，按n确定针肋位置，将针肋横向特征尺寸、歧管层高度、n、针肋位置及响应变异系数写入参数化cad/cae几何模型，生成代表性歧管—短微通道单元几何模型数据。

11、优选地，所述无针肋拓扑分支ω0进一步限定为β=0、n=0、γ∈[3.0,4.5]；所述有针肋拓扑分支ω1进一步限定为β∈[0.1,0.3]、γ∈[3.0,4.5]、n∈{2,4,6,8,10}。

12、优选地，所述无针肋拓扑分支的性能预测路径为以γ为自变量的一维分段三次hermite插值模型；所述有针肋拓扑分支的性能预测路径为分别对应热阻、压降和温度非均匀性的三个高斯过程回归模型。

13、优选地，对有针肋拓扑分支的β、γ和n进行标准化；所述高斯过程回归模型采用常数核与matern-5/2核的乘积核并叠加白噪声核，通过最大化对数边际似然求解核函数超参数，并采用k折交叉验证确定预测误差。

14、优选地，每个被扰动的候选生成2000组扰动样本；有针肋拓扑分支中的β服从均值为候选β、标准差为0.05β并截断至[0.1,0.3]的正态分布，γ服从均值为候选γ、标准差为0.03γ并截断至[3.0,4.5]的正态分布；所述响应变异系数按照以下公式计算：

15、；

16、其中，为候选i的第j项性能响应变异系数，和分别为扰动预测序列的样本均值和样本标准差。

17、优选地，所述多组目标权重向量按照dirichlet(1,1,1)分布生成，组数m=10000；对于最小化目标，按照对候选i的第j项名义性能预测值进行极差归一化，正理想点的第j分量为zj+=mini zij；

18、其中，yj,min和yj,max分别为非支配候选集中第j项目标的最小值和最大值；若yj,max=yj,min，则令该项目标的全部zij=0；正理想点定义为z+=(z1+,z2+,z3+)ᵀ，其中zj+=mini zij；在上述最小化目标的极差归一化下，z+=(0,0,0)ᵀ；

19、对于满足wj≥0且三项目标权重之和为1的权重向量w，按照计算候选i的加权理想点距离，根据候选i被选为最小距离候选的次数ni，按照计算偏好选择频率。

20、其中，m为目标权重向量总组数；k为目标权重向量的组序号，k=1，2，…，m；i为非支配候选编号；j为性能目标编号，j∈{1，2，3}；w为任一组目标权重向量，逐组计算时第k组权重向量记为w(k)；wj为该权重向量的第j个分量，逐组计算时记为wj(k)；yij为候选i的第j项名义性能预测值；zij为对应的极差归一化值；zj+为正理想点的第j分量；di(w)为候选i相对于该组权重向量的加权理想点距离；ni为候选i在m组权重下被确定为最小距离候选的次数；popt,i为候选i的偏好选择频率。

21、优选地，按照以下公式计算所述目标选择分值：

22、；

23、λ为正的扰动风险惩罚系数。

24、优选地，微通道净宽wch=400 μm，微通道高度hmc=200 μm，目标结构参数向量为β=0.222、γ=4.5、n=4，圆柱针肋横向特征尺寸dpin=88.8 μm，歧管层高度hmf=900 μm，各排针肋中心相对于短微通道入口依次为0.2 mm、0.6 mm、1.0 mm和1.4 mm。

25、同时，本发明提出一种歧管式微通道针肋拓扑保持鲁棒优化设计系统，包括：

26、样本获取模块，用于获取歧管式微通道热管理结构的结构—性能样本集；

27、拓扑分支模块，用于按照β和n表征的针肋拓扑状态建立无针肋拓扑分支ω0和有针肋拓扑分支ω1；

28、性能预测模块，用于建立与各拓扑分支对应的性能预测路径；

29、候选生成模块，用于在ω0∪ω1内生成候选结构参数向量，调用对应性能预测路径获得名义性能预测值并形成非支配候选集；

30、偏好统计模块，用于对非支配候选集的各项名义性能预测值进行归一化，生成多组目标权重向量，计算各非支配候选相对于正理想点的加权理想点距离并确定各候选的偏好选择频率；

31、拓扑保持扰动模块，用于对偏好选择频率大于零的候选生成连续结构参数扰动样本，保持针肋排数n不变并使β和γ在相应分支边界内扰动，获得扰动预测序列并计算响应变异系数；

32、目标结构确定模块，用于计算随偏好选择频率增大而增大并随各响应变异系数的算术平均值增大而减小的目标选择分值，确定至少一个目标结构参数向量；

33、参数化几何输出模块，用于根据目标结构参数向量及预设的微通道净宽和微通道高度计算针肋横向特征尺寸和歧管层高度，根据针肋排数n确定各排针肋布置位置，并将针肋横向特征尺寸、歧管层高度、针肋排数、各排布置位置及响应变异系数写入参数化cad/cae几何模型，生成代表性歧管—短微通道单元几何模型数据。

34、同时，本发明提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明所述的方法。

35、本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

36、1、本发明将针肋拓扑状态按照β和n的关系划分为无针肋拓扑分支ω0和有针肋拓扑分支ω1，并将候选生成、模型调用和扰动传播限制在ω0∪ω1内，避免了β=0且n>0或β>0且n=0的无物理对应组合进入优化流程，从而提高了候选集的有效性。

37、2、本发明在对偏好候选进行连续结构参数扰动时保持针肋排数n不变，且无针肋拓扑分支中的β始终为0，有针肋拓扑分支中的β始终位于其分支边界内，使得计算得到的响应变异系数对应于同一实体拓扑状态下β、γ的连续变化，隔离了离散拓扑切换对连续参数波动量的污染。数值消融结果显示，跨拓扑独立重采样n的基线平均产生16.65%的β>0且n=0无效样本，平均83.28%的样本改变原针肋排数；而拓扑保持扰动不产生上述无效样本。

38、3、本发明在目标权重单纯形内生成多组权重向量并统计偏好选择频率，而非仅使用固定权重，因此可量化候选在完整目标偏好域中的被选择稳定性。

39、4、本发明目标选择分值同时考虑偏好选择频率和响应变异系数，因此能够优先选择既在目标权重域中表现稳定、又对β和γ连续参数波动不敏感的候选。

40、5、本发明根据目标结构参数向量计算绝对尺寸并写入参数化cad/cae几何模型，因此可直接输出可供几何建模和仿真复核的实体结构输入，而不再仅输出比例和排数。