一种基于三周期极小曲面空间剖分的换热结构设计方法

本发明涉及一种用于高效散热的换热结构设计，具体属于换热，适用于新能源汽车电池热管理系统、电子设备散热和航空航天领域的高效换热器设计。尤其涉及基于三周期极小曲面（triply periodic minimal surface, tpms）结构的多层剖分技术在换热器中的应用。

背景技术：

1、随着新能源汽车、电子设备和服务器等高功率密集型设备的快速发展，设备的小型化和高性能化趋势愈加明显，带来了更高的散热需求。运行过程中产生的大量热量如果无法及时散发，可能导致设备性能下降，甚至引发安全隐患。例如，在新能源汽车中，锂电池组在工作时会产生大量热量，散热不足将导致电池内部温度持续上升，可能造成隔膜失效，严重时引发热失控，甚至导致火灾或爆炸。因此，在有限空间内实现高效散热已成为确保设备安全性和延长使用寿命的关键问题。

2、目前，传统的散热技术主要包括风冷和液冷，虽然在某些领域可以有效工作，但对于高功率密集型设备，传统散热技术的效率难以满足要求。此外，传统换热器通常采用铜或铝作为材料，虽然这些金属具备良好的导热性能，但其重量较大，尤其在空间紧凑的场合，如新能源汽车中，较大的体积和重量对设备整体性能带来了不利影响，增加了能源消耗并降低了车辆续航里程。

3、为了应对这些挑战，近年来三周期极小曲面（triply periodic minimalsurface, tpms）结构逐渐成为一种新兴的换热器设计方法。tpms结构具有大比表面积、高强度和可控孔隙率等优点，能够提升散热效率，并且其轻量化特性能够显著减轻设备的重量。然而，现有的tpms结构换热器在流体流动路径优化和材料选择方面仍有改进空间，未能充分结合新型轻量化复合材料来兼顾散热和机械性能的平衡。

4、因此，如何进一步优化tpms结构的几何设计，并通过多层剖分技术提升散热性能和结构强度，成为当前散热器设计的关键方向。本发明通过对tpms结构进行几何优化和引入多层剖分技术，提出了一种能够有效提升换热器散热效率和力学性能的设计方案。该设计不仅大幅减轻了结构重量，还提高了整体换热效率，特别适用于新能源汽车电池热管理、电子设备散热以及航空航天等高效散热领域，具备广泛的应用前景。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、现有技术中的换热器设计，尤其是在新能源汽车、电子设备和航空航天等高功率密集型设备中的应用，存在着诸多局限性。传统换热器通常使用铜或铝等金属材料，虽然具备良好的导热性能，但其重量较大，增加了设备的总质量，尤其在对轻量化有较高要求的场合，例如新能源汽车中，这类设计会显著影响车辆的能效和续航能力。同时，传统换热器在体积上也较为庞大，难以在有限空间内高效布置。此外，传统换热器的散热效率有限，难以应对高功率设备产生的热量，导致设备在运行过程中出现过热现象，进而影响其性能和使用寿命。而且，现有的tpms结构尽管在散热器设计中展现了潜力，但由于其几何设计的局限性，尚无法实现最大化的比表面积和流体传热路径的优化，限制了换热效率的进一步提升。

3、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于三周期极小曲面（tpms）结构的多层剖分换热器设计方法。通过在tpms结构基础上进行几何优化，并引入多层剖分技术，本发明有效提升了换热器的散热性能和力学强度。首先，通过采用轻量化的复合材料，结合tpms结构的特点，显著降低了换热器的总重量，使其在保持高导热性能的同时满足轻量化设计的需求，特别适合新能源汽车和航空航天等领域。其次，通过几何优化与多层剖分的设计，极大增加了换热器的比表面积和流体的接触面积，优化了流体的流动路径。这样一来，流体在通过换热器时能够更加充分地与结构表面接触，实现更高效的热量传递，显著提高了整体散热效率。此外，多层剖分设计进一步增强了换热器的力学性能，不仅提升了其抗冲击能力，还有效减少了因外界压力变化引起的结构变形问题，从而延长了设备的使用寿命。

4、综上所述，本发明通过优化tpms结构的几何设计，结合多层剖分技术，有效解决了现有换热器在重量、体积、散热性能和力学性能上的不足。该技术不仅提升了换热器的散热效率，同时还减少了设备能耗，具备广泛的应用前景，特别适用于新能源汽车电池热管理、电子设备散热和航空航天领域的高效换热需求。

5、(二)技术方案

6、为了解决上述技术问题，首先通过编写代码创建三周期极小曲面（tpms）的基础几何模型，随后通过精确控制设计参数，生成多种类型的剖分结构。本发明采用了gyroid结构作为示例，并通过以下步骤实施：

7、s1：基于极小曲面的数学定义，推导出gyroid曲面的数学表达式。gyroid曲面是一种周期性极小曲面，具有良好的几何特性和较大的比表面积，适合于换热器设计；

8、s2：根据s1推导出的gyroid曲面表达式，以及传统tpms的建模原理，编写相应的建模代码，生成gyroid结构的三维模型。此步骤将提供基础的gyroid几何结构，作为后续优化设计的基础；

9、s3：在s2的基础上，进一步推导出多层剖分结构的建模方法。通过对基础的tpms模型进行修改，生成多层剖分结构。在此步骤中，精确控制几何参数，展示不同层次的剖分示例如图1所示，以优化换热器的性能；

10、s4：对s2中的基本结构和s3中的多层剖分结构进行比表面积测算与散热性能分析，通过增加比表面积，可以提高流体与换热器表面的接触效率，从而提升整体散热性能。

11、s5：基于s4中的分析结果，进一步生成组合剖分结构。该组合结构通过不同的剖分层次和几何设计，进一步优化了换热性能，使换热器能够在复杂的热管理系统中实现高效散热。

12、s6：根据s5生成的不同剖分结构，对其比能量吸能性能和比表面积进行测算与对比。通过对比比能量吸能和比表面积，选出在吸能能力和散热性能之间达到最佳平衡的剖分结构，为实际应用中的结构优化提供依据。

13、s7: 根据实际需求以及应用进行自主设计换热器结构。

14、(三)有益效果

15、本发明的有益效果如下：

16、1．本发明通过剖分处理优化了模型的设计，相比于传统结构，显著增加了比表面积并减小了壁厚。这一特性在新能源汽车领域具有重要应用价值，尤其是在轻量化和高效换热器的设计中提供了关键指导。通过减少壁厚并提升比表面积，本发明能够在不牺牲结构强度的前提下，显著提升换热性能，满足了新能源汽车对轻量化和高效换热的严格要求。

17、2．本发明设计的剖分模型在换热性能上表现出显著优势。部分实验结果如图10所示，在相同体积分数条件下，单胞模型的换热性能较传统模型提升了17%；在设定的边界条件下，三胞模型的二层剖分结构相比传统三胞结构的换热性能提升了44%。这些提升得益于剖分设计优化了流体流动路径和换热表面积的分布，使得换热更加高效，适用于高功率密集型电子设备和新能源汽车等需要高效换热的场景。

18、3．在能量吸收方面，本发明的组合剖分结构展现出优于传统gyroid结构的性能。该结构能够有效减缓外力冲击，确保更高效的能量吸收。在力学性能测试中，组合剖分模型的能量吸收能力提高了1.3%。此外，比表面积相较于传统结构增加了约2.26倍，为结构的整体性能提升提供了有力支持。这一特性使得该结构特别适合应用于需要同时具备高能量吸收和高换热性能的领域，如汽车碰撞防护和高温环境中的设备防护。

19、4.本发明提出的多层剖分和组合结构设计，提供了极高的灵活性。通过调整不同剖分层次和区域的设计参数，能够灵活适应不同应用场景的需求。无论是在轻量化需求较高的新能源汽车领域，还是在高效换热需求明显的电子设备中，该发明的设计都能够满足应用需求。