本發(fā)明涉及一種電子器件散熱技術，特別涉及一種在電子器件中的仿生熱流通道設計方法。
背景技術：
：隨著技術發(fā)展，電子產(chǎn)品體積減小，內(nèi)部元件數(shù)量增加，電子器件工作時產(chǎn)生的熱量急劇增大。能否將工作時產(chǎn)生的熱量及時散去，決定了該類產(chǎn)品的可靠性和工作壽命，因而高效散熱是該類產(chǎn)品進一步發(fā)展的核心關鍵。由于生熱量大同時散熱空間有限，對電子產(chǎn)品進行強制對流散熱的傳統(tǒng)方式已無法滿足實際散熱的要求，解決該問題的有效途徑是將用高導熱材料形成的熱流通道敷設于電子元器件表面或直接嵌入元器件內(nèi)部，將熱量快速傳導至外界環(huán)境，從而有效解決空間限制和散熱效率的問題。熱流通道布局的合理設計是提高導熱效率的關鍵。因此研究熱流通道的合理布局，從而提升導熱性能是很有必要的。目前，傳統(tǒng)熱流通道布局基本是采用經(jīng)驗設計和類比設計，難以實現(xiàn)復雜熱邊界條件下的最優(yōu)布局。而使用各類拓撲優(yōu)化方法得到的布局太過復雜，在實際應用與加工中十分困難。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明是針對復雜熱條件下電子器件中熱流通道布局設計存在的問題，提出了一種仿生熱流通道設計方法，根據(jù)自然界分支系統(tǒng)的形態(tài)成長機理，如植物根系，使敷設熱流通道的設計過程模擬植物根系的生長過程，從而設計出最優(yōu)的熱流通道布局。本發(fā)明的技術方案為：一種仿生熱流通道設計方法，具體包括如下步驟：1)、根據(jù)設計對象的外形尺寸，建立設計用的體-點分析模型，包括根據(jù)實際工況，為設計域施加熱源及熱邊界條件，為熱沉點施加溫度條件，為設計域賦予低導熱材料；2)、生長主熱流通道：以熱沉點為起點，沿溫度梯度最大方向形成主熱流通道，并用導熱系數(shù)高的材料填充主熱流通道；3)、逐次生長次熱流通道：對已生長熱流通道的設計對象進行有限元熱分析，找到設計域內(nèi)溫度最高的點，以該點為圓心，以一定值為半徑作球面，選擇該球面內(nèi)的某一通道為候選母枝，該母枝需保證其上的點和溫度最高點相連的候選子枝不與已有的通道交叉，以候選母枝上的兩個黃金分割點為次熱流通道候選的起點，兩個黃金分割點分別為0.618l和0.382l，l為候選母枝的長度，以設計域溫度最高點為次熱流通道的終點，按照下式分別計算各個候選通道下的結構總熱阻，選擇結構總熱阻最小的黃金分割點為實際起點，式中，n表示熱流通道的個數(shù)；di和li分別是第i個熱流通道的寬度與長度；4)、按照下式，從末枝開始，更新上一級寬度，一級級更新，直到更新所有已經(jīng)生成的熱流通道的寬度，式中，d1j、d2j表示第j級分支的兩個子枝的寬度，d3j表示兩個子枝對應的母枝的寬度；λ為寬度系數(shù)；v為當前結構的總體積；α為體積給定值，用高導熱材料填充更新后的次熱流通道；5)、當生成的所有熱流通道的體積達到上限值φ或者生成分枝前后兩步最高溫度之差與當前步最高溫度之比小于給定值，則停止次枝生長，否則重復步驟3)-4)。所述步驟4)中體積給定值α比φ小5％；φ為預先設定的結構總熱流通道體積上限。本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明仿生熱流通道設計方法，直接模擬自然界分支系統(tǒng)的生長原理，設計出具有最小熱阻的熱流通道分布，從而達到提升傳熱性能的效果。本發(fā)明與常見的熱流通道布局設計方法相比，算法簡單，方便制造，可適用于復雜熱條件問題。附圖說明圖1為本發(fā)明仿生熱流通道設計方法流程圖；圖2為本發(fā)明設計域示意圖；圖3為本發(fā)明一半設計域圖；圖4為本發(fā)明在φ＝0.3時熱流通道拓撲形態(tài)圖；圖5為用于對比本發(fā)明設計效果的傳統(tǒng)設計方法得到的φ＝0.3時熱流通道拓撲形態(tài)圖。具體實施方式如圖1所示仿生熱流通道布局設計方法流程圖，本發(fā)明的技術方案具體包括如下步驟：(1)首先根據(jù)設計對象的外形尺寸，建立設計用的體-點分析模型。包括根據(jù)實際工況，為設計域(體)施加熱源及熱邊界條件，為熱沉(點)施加溫度條件，為設計域賦予低導熱材料。(2)生長主熱流通道：以熱沉點為起點，沿溫度梯度最大方向形成主熱流通道，并用導熱系數(shù)高的材料填充主熱流通道。(3)逐次生長次熱流通道：對已生長熱通道的設計對象進行有限元熱分析，找到設計域內(nèi)溫度最高的點，以該點為圓心，以一定值為半徑作球面，選擇該球面內(nèi)的某一通道為候選母枝，該母枝需保證其上的點和溫度最高點相連的候選子枝不與已有的通道交叉。以候選母枝上的兩個黃金分割點(分別為0.618l和0.382l，l為候選母枝的長度)為次熱流通道候選的起點，以設計域溫度最高點為次熱流通道的終點。按照式(1)分別計算各個候選通道下的結構總熱阻，選擇結構總熱阻最小的黃金分割點為實際起點。式中，n表示熱流通道的個數(shù)；di和li分別是第i個熱流通道的寬度與長度。(4)按照式(2)，從末枝開始，更新上一級寬度，一級級更新，直到更新所有已經(jīng)生成的熱流通道的寬度。式中，d1j、d2j表示第j級分支的兩個子枝的寬度，d3j表示兩個子枝對應的母枝的寬度；λ為寬度系數(shù)；v為當前結構(含已布置所有熱流通道)的總體積；體積給定值α比φ小5％；φ為預先設定的結構總熱流通道體積上限。用高導熱材料填充更新后的次熱流通道。(5)當生成的所有熱流通道的體積達到上限值φ或者生成分枝前后兩步最高溫度之差與當前步最高溫度之比小于給定值，則停止次枝生長，否則重復步驟(3)-(4)。以四邊絕熱、底邊中部散熱為例，說明本發(fā)明的適用性。圖2為底邊中部散熱結構的設計模型。設計域ωs為100mm×100mm的正方形，其內(nèi)部存在均勻生熱率q＝3×103w/m3。在底部邊界存在有散熱邊界，邊界長度l＝10mm，邊界溫度t0＝0℃，其余邊界絕熱。由于該問題為對稱問題，取設計域的一半進行設計如圖3所示。應用本發(fā)明的布局設計方法，先建立相應的分析模型，并將模型離散為50×100個單元。為所有單元賦予低導熱材料。給設計域施加相應熱源與邊界條件。為底部熱沉邊界施加溫度邊界條件。首先生長主熱流通道。以熱沉中心點為起點，沿溫度梯度最大方向形成主熱流通道，并用導熱系數(shù)高的材料填充主熱流通道。逐次生長次熱流通道：按上述步驟(3)生長次熱流通道。隨后按照式(2)由子枝的寬度更新母枝的寬度，并依次更新所有熱流通道的寬度。并用高導熱材料填充次熱流通道。繼續(xù)生長次熱流通道，當熱流通道體積達到上限或最高溫度下降百分比小于定值則完成所有熱流通道的生長。經(jīng)過28步生長后，熱流通道體積達到上限30％，設計終止。最終得到的熱流通道設計結果如圖4所示。整體熱流通道分為兩層，主熱流通道寬度較粗且長度長，連接設計域最遠的兩個角點與熱沉點。次熱流通道則較細且短。熱流通道遍布整個設計域，可以有效的將設計域內(nèi)各處熱量傳導至熱沉點。由于使用了對稱設計，得到的最終熱流通道分布也呈對稱結果。采用與應用實例一樣的邊界條件，使用傳統(tǒng)的變密度法求解傳熱結構拓撲形態(tài)，經(jīng)過迭代后，體積達到上限30％。最終得到傳熱結構拓撲形態(tài)如圖5所示。獲得的拓撲形態(tài)與圖4十分相似。從溫度性能比較本方法與變密度法，對比如表1所示?？梢钥闯?，最高溫度和溫度方差分別比變密度法得到的結果降低了22.9％與35.0％，取得了更低的最高溫度以及更加均勻的溫度分布。而且本方法獲得的熱流通道拓撲形態(tài)更加清晰簡單，不存在細小通道以及灰度單元，便于實際加工與應用。表1溫度性能本方法simp下降百分比最高溫度(℃)0.2390.31022.9％溫度方差(℃2)0.002600.0040035.0％當前第1頁12