一种空气冷却散热器散热特性的数字孪生系统构建及使用方法

本发明属于数字孪生领域，涉及一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统的构建及使用方法。

背景技术：

1、散热器是控制散热对象温度的产品。随着生产力的发展，在生产生活当中出现了诸如新能源汽车的动力电池、电子芯片等功率越来越大的工业产品，而这些工业产品的散热问题也越来越突出，对散热器的设计要求也越来越高。人们期望新的散热器在散热特性越来越强的前提下，工作时的负面影响和生产成本尽可能得低。

2、华北电力大学的相天麟等人设计了热电联合虚拟电厂数字孪生系统，实现了热电联合虚拟电厂的优化调度。但是现有的散热器数字孪生系统主要使用基于机理搭建的模型，对于基于数据驱动的模型缺乏研究；其次，现有数字孪生系统主要用于优化设计，实时预测的功能应用较少，不能完全发挥数字孪生系统的平台价值。

3、基于此，本发明提供一种可实时分析、监测和预测散热器散热特性的数字孪生系统，在散热器设计阶段预测散热特性，以改进当前的散热器设计流程，进而提升设计效率和产品质量。

技术实现思路

1、在工业产品散热需求日益提高的背景下，通过综合分析现有散热特性仿真计算方法的缺陷和不足，本发明提出了一种基于数字孪生的散热器散热特性预测方法。基于有限元方法和深度神经网络技术，构建散热器散热特性的数字孪生体，实现了对散热器散热特性的实时分析、监测和预测。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统的构建方法，该系统基于数字孪生系统，由散热物理模块、传感器模块、算法模块和实时虚拟显示模块四个模块组成。所述散热特性包括热安全性、热可靠性和热均衡性三个指标；所述散热物理模块为真实散热模组物理实体；所述传感器模块在所述散热物理模块的热源部分安装热电阻用于采集实时温度，在所述散热物理模块的空气冷却散热器部分附近安装红外摄像机采集环境(如实验基座、空气等)的实时温度，在空气冷却散热器附近安装分贝采集器(麦克风)采集散热器工作时的环境实时噪音；所述算法模块基于散热器有限元模型和传感器模块的数据建立散热器工作信息的训练集，利用训练集搭建神经网络，最后将训练集和神经网络记录在数据库中；所述实时显示模块基于所构建的神经网络模型的预测信息实现对散热器散热特性的实时显示。具体的：

4、所述散热特性包括热安全性、热可靠性和热均衡性三个指标。其中，热安全性指散热器控制温度的能力，反映在待测热源的温度的高低上；热可靠性指散热器长时间控制温度的能力，反映在待测热源长时间的温度波动；热均衡性指散热器控制温度的均衡性，反映在待测热源的温度分布上。

5、所述的散热物理模块包括可控热源和待测空气冷却散热器两部分。可控热源用于模拟工业产品的产热部件(例如电池电芯和电子芯片)，能够控制发热功率进行线性和周期性变化。此外，使用多个热源可以模拟多个产热部件。散热物理模块最后将热源的控制数据和散热器的设计信息传入所述算法模块。

6、所述的传感器模块指可控热源中的热电阻、空气冷却散热器旁的红外摄像机和分贝采集器，用于采集散热器的散热性能和环境数据，并将采集的数据传入所述算法模块。

7、所述算法模块包含训练集、神经网络及数据库三个部分。训练集将散热物理模块和传感器模块采集的散热器和散热器散热性能的信息进行整理和保存；神经网络使用径向基函数网络，对训练集保存的数据进行搭建，建立散热器和散热性能的数学模型；数据库保存训练集的数据和神经网络的数学模型。

8、所述实时虚拟显示模块包含训练集接收系统、神经网络分析系统和空气冷却散热器数字孪生体显示系统。所述实时训练集接收系统直接接受数据库的训练集数据，通过神经网络分析系统分析神经网络的数据，预测空气冷却散热器数字孪生体的散热性能；并通过空气冷却散热器数字孪生体显示系统用于显示训练集接受系统或者神经网络分析系统的数据。

9、一种空气冷却散热器的散热性能数字孪生系统的使用方法，包括以下步骤：

10、首先，散热物理模块控制热源以不同的功率做功，对不同的液体冷却散热器进行测试，并将热源的控制数据和散热器的设计信息传入算法模块；传感器模块将采集的实时温度数据传入算法模块；算法模块将传入的数据整理为训练集，并对训练集进行神经网络搭建，得到散热器与散热性能和工作影响的数学模型，由数学模型得到散热器的散热特性，最后将训练集和神经网络存入数据库；实时虚拟显示系统既可接受数据库中的训练集数据，实时显示液体冷却散热器数字孪生体的散热特性，也可分析数据库中的神经网络，实时预测液体冷却散热数字孪生体的散热特性。

11、本发明的有益效果在于：

12、(1)本发明实现了在空气冷却散热器设计的过程中，利用数据库中的训练集和神经网络，实时分析、监测和预测散热器在长时间不同负荷下工作时散热特性。

13、(2)本发明可在没有物理实体的情况下预测散热器的散热特性，为散热器的优化设计提供直观、可靠的信息。

技术特征：

1.一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统构建方法，其特征在于，其基于数字孪生系统实现，由散热物理模块、传感器模块、算法模块和实时虚拟显示模块四个模块组成；所述散热特性包括热安全性、热可靠性和热均衡性三个指标；所述散热物理模块为真实散热模组物理实体；所述传感器模块在所述散热物理模块的热源部分安装热电阻用于采集实时温度，在所述散热物理模块的空气冷却散热器部分附近安装红外摄像机采集环境的实时温度，在空气冷却散热器附近安装分贝采集器采集散热器工作时的环境实时噪音；所述算法模块基于散热器有限元模型和传感器模块的数据建立散热器工作信息的训练集，利用训练集搭建神经网络，最后将训练集和神经网络记录在数据库中；所述实时显示模块基于所构建的神经网络模型的预测信息实现对散热器散热特性的实时显示。

2.根据权利要求1所述的一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统构建方法，其特征在于，所述散热特性具体指：热安全性指散热器控制温度的能力，反映在待测热源的温度的高低上；热可靠性指散热器长时间控制温度的能力，反映在待测热源长时间的温度波动；热均衡性指散热器控制温度的均衡性，反映在待测热源的温度分布上。

3.根据权利要求1所述的一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统构建方法，其特征在于，所述的散热物理模块包括可控热源和待测空气冷却散热器两部分：可控热源用于模拟工业产品的产热部件，能够控制发热功率进行线性和周期性变化；此外，使用多个热源可以模拟多个产热部件；散热物理模块最后将热源的控制数据和散热器的设计信息传入所述算法模块。

4.根据权利要求1所述的一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统构建方法，其特征在于，所述的传感器模块指可控热源中的热电阻、空气冷却散热器旁的红外摄像机和分贝采集器，用于采集散热器的散热性能和环境数据，并将采集的数据传入所述算法模块。

5.根据权利要求1所述的一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统构建方法，其特征在于，所述算法模块包含训练集、神经网络及数据库三个部分：训练集将散热物理模块和传感器模块采集的散热器和散热器散热性能的信息进行整理和保存；神经网络使用径向基函数网络，对训练集保存的数据进行搭建，建立散热器和散热性能的数学模型；数据库保存训练集的数据和神经网络的数学模型。

6.根据权利要求1所述的一种空气冷却散热器的散热特性数字孪生系统的构建方法，其特征在于，所述实时虚拟显示模块包括训练集接收系统、神经网络分析系统和空气冷却散热器数字孪生体显示系统；所述实时训练集接收系统直接接受数据库的训练集数据，通过神经网络分析系统分析神经网络的数据，预测空气冷却散热器数字孪生体的散热性能；并通过空气冷却散热器数字孪生体显示系统用于显示训练集接受系统或者神经网络分析系统的数据。

7.一种权利要求1-6任一所述构建方法得到的空气冷却散热器的散热性能数字孪生系统使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
一种空气冷却散热器散热特性的数字孪生系统构建及使用方法，属于数字孪生领域。其基于数字孪生系统，包括散热物理模块、传感器模块、算法模块和实时虚拟显示模块。散热物理模块为真实散热模组物理实体；传感器模块在散热物理模块的热源部分安装热电阻用于采集实时温度，在其空气冷却散热器附近安装红外摄像机采集环境的实时温度，在空气冷却散热器附近安装分贝采集器采集散热器工作时的环境实时噪音；算法模块建立散热器工作信息的训练集，并搭建神经网络；通过实时显示模块对散热器散热特性进行显示。本发明能够实时分析、监测和预测散热器在长时间不同负荷下工作时散热特性；可在没有物理实体的情况下预测散热器的散热特性，为散热器的优化设计提供直观、可靠的信息。

技术研发人员：宋学官,汪子逸,阚子云,李建基,来孝楠,杨亮亮,曹旭阳
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14