一种船坞折倒结构件热导率建模的高保真有限元优化方法与流程
本发明涉及船坞折倒装置结构热传导领域，特别涉及一种船坞折倒结构件热导率建模的高保真有限元优化方法。
背景技术：
1、随着船舶和海洋工程技术的发展，船坞折倒装置在船坞内，作为船舶等海洋工程装备制造、维护检修的重要设施，船坞折倒装置在运行过程中会产生大量的热量，这主要是由于机械运动和金属部件之间的摩擦造成的。如果热量不能有效散发，可能会导致结构件的过热，进而影响其性能和寿命，甚至可能引发安全事故。为提升船坞折倒装置结构件散热性能，在其内部填充复杂点阵微结构是有效手段之一。然而，传统的热传递模型往往忽视了船坞折倒装置结构件内部微结构对宏观热性能的影响，导致无法精确描述温度梯度等关键参数。现有的均质化方法虽然在某种程度上解决了这一问题，但仍未能充分考虑非局部效应，即材料属性在小尺度上的变化对宏观性能的影响。
2、因此，如何对船坞折倒结构件的进行热力学建模，并对模型进行优化，准确地模拟和预测复杂材料在微观结构尺度上的热性能，对其热传递性能进行优化从而改善传热性能，是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种船坞折倒结构件热导率建模的高保真有限元优化方法及装置，可以热导率模型进行优化，优化后的模型可以更准确地模拟和预测复杂材料在微观结构尺度上的热性能，尤其是在考虑非局部效应的情况下，提高了热传递模型的精确度和实用性。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
3、在一些实施例中，提供一种船坞折倒结构件热导率建模的高保真有限元优化方法，所述船坞折倒结构件包括超材料结构，所述高保真有限元优化方法包括以下步骤：
4、s1：基于仅在x方向上存在温度梯度的三维均质化问题，建立非局部热传导模型；
5、其中，所述s1步骤中的非局部热传导模型为：
6、
7、其中，表示x方向温度梯度的非局部均质化项，是有效热导率，表示x方向热通量的非局部均质化项；
8、s2：定义非局部均质化项，包括x方向温度梯度的非局部均质化项和x方向热通量的非局部均质化项，并表达体积均质化算子和温度梯度的数学形式；
9、其中，所述s2步骤中的体积均质化算子<·>v定义如下：
10、
11、其中，l、w和h分别表示超材料结构的长度、宽度和高度，长度、宽度和高度方向分别对应x方向、y方向、z方向；
12、s3：采用分部积分法，将x方向温度梯度的非局部均质化项转换为通过有限元工具获取的两个表面间温度差的形式，得到均匀温度场条件下简化模型；
13、其中，所述s3步骤中的均匀温度场条件下简化模型为：
14、
15、其中，
16、s4：结合非局部热传导模型、x方向热通量的非局部均质化项和均匀温度场条件下简化模型，考虑x方向的温度梯度以及宽度和高度的影响，得到三维微结构效应的导热模型；
17、其中，所述s4步骤中的三维微结构效应的导热模型为：
18、
19、其中，ξ是非局部相位具有尺寸依赖效应的贡献分数，kx、ky、kz分别是x方向、y方向、z方向上的热导，k是热导率；
20、s5：基于三个方向无限大的超材料结构，使用多尺度方法和周期性边界条件，得到有效热导率计算式；所述三个方向包括基于正交坐标系的x方向、y方向、z方向；
21、其中，所述s5步骤中的有效热导率计算式为：
22、
23、其中l为固有长度；
24、s6：通过高保真有限元方法，根据所述三维微结构效应的导热模型获得有效热导率标准值
25、s7：根据所述有效热导率标准值对所述有效热导率计算式进行优化，得到优化后的有效热导率计算模型。
26、在一些实施例中，所述s3步骤中均匀温度场条件下简化模型，是利用分部积分法，并设定面z＝0.5l和z＝-0.5l施加的是均匀温度场的条件下推导的。
27、在一些实施例中，所述s3步骤中体积内温度梯度的非局部均质化项通过体积两端垂直于x方向的表面上的温度差来评估计算。
28、在一些实施例中，超材料结构的外在长度与内在长度相比
29、在一些实施例中，所述s4步骤中有效热导率不仅取决于x方向的温度梯度，还取决于y方向和z方向；所述s5步骤中有效热导率不仅取决于x方向的温度梯度，还取决于宽度和高度。
30、在一些实施例中，还提供一种船坞折倒结构件热导率建模的高保真有限元优化装置，所述船坞折倒结构件包括超材料结构，所述船坞折倒结构件优化装置包括以下模块：
31、非局部热传导模型建立模块：基于仅在x方向上存在温度梯度的三维均质化问题，建立非局部热传导模型；
32、非局部均质化项定义模块：定义非局部均质化项，包括x方向温度梯度的非局部均质化项和x方向热通量的非局部均质化项，并表达体积均质化算子和温度梯度的数学形式；
33、均匀温度场条件下简化模型建立模块：采用分部积分法，将x方向温度梯度的非局部均质化项转换为通过有限元工具获取的两个表面间温度差的形式，得到均匀温度场条件下简化模型；
34、三维微结构效应的导热模型建立模块：结合非局部热传导模型、x方向热通量的非局部均质化项和均匀温度场条件下简化模型，考虑x方向的温度梯度以及宽度和高度的影响，得到三维微结构效应的导热模型；
35、有效热导率计算式获取模块：基于三个方向无限大的超材料结构，使用多尺度方法和周期性边界条件，得到有效热导率计算式；所述三个方向包括基于正交坐标系的x方向、y方向、z方向；
36、优化模块：通过高保真有限元方法，根据所述三维微结构效应的导热模型获得有效热导率标准值；根据所述有效热导率标准值，对所述有效热导率计算式进行优化，得到优化后的有效热导率计算模型；
37、其中，
38、所述非局部热传导模型为：
39、
40、其中，表示x方向温度梯度的非局部均质化项，是有效热导率，表示x方向热通量的非局部均质化项；
41、所述体积均质化算子<·>v定义如下：
42、
43、其中，l、w和h分别表示超材料结构的长度、宽度和高度，长度、宽度和高度方向分别对应x方向、y方向、z方向；
44、所述均匀温度场条件下简化模型为：
45、
46、其中，
47、所述三维微结构效应的导热模型为：
48、
49、其中，ξ是非局部相位具有尺寸依赖效应的贡献分数，kx、ky、kz分别是x方向、y方向、z方向上的热导，κ是热导率；
50、所述有效热导率计算式为：
51、
52、其中l为固有长度。
53、在一些实施例中，所述根据所述有效热导率标准值，对所述有效热导率计算式进行优化，得到优化后的有效热导率计算模型，包括：
54、根据所述有效热导率标准值和初始贡献分数ξ，根据所述有效热导率计算式反推得到固有长度l。
55、在一些实施例中，还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述的方法。
56、在一些实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法。
57、相对于现有技术，本发明的有益效果为：
58、按本发明所公开的计算船坞折倒装置结构件导热的非局部均质化方法，能够更准确地模拟和预测填充复杂微结构的船坞折倒装置结构件的热性能，尤其是在考虑非局部效应的情况下，提高了热传递模型的精确度和实用性。且通过高保真有限元方法对热导率模型进行优化，进一步提高了热传递模型的精确度。
技术特征：
1.一种船坞折倒结构件热导率建模的高保真有限元优化方法，其特征在于，所述船坞折倒结构件包括超材料结构，所述高保真有限元优化方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高保真有限元优化方法，其特征在于，所述s7步骤中根据所述有效热导率标准值对所述有效热导率计算式进行优化，得到优化后的有效热导率计算模型，包括：
3.根据权利要求2所述的高保真有限元优化方法，其特征在于，所述s3步骤中均匀温度场条件下简化模型，是利用分部积分法，并设定面z＝0.5l和z＝-0.5l施加的是均匀温度场的条件下推导的。
4.根据权利要求3所述的高保真有限元优化方法，其特征在于，所述s3步骤中体积内温度梯度的非局部均质化项通过体积两端垂直于x方向的表面上的温度差来评估计算。
5.根据权利要求4所述的高保真有限元优化方法，其特征在于，超材料结构的外在长度与内在长度相比
6.根据权利要求5所述的高保真有限元优化方法，其特征在于，所述s4步骤中有效热导率不仅取决于x方向的温度梯度，还取决于y方向和z方向；所述s5步骤中有效热导率不仅取决于x方向的温度梯度，还取决于宽度和高度。
7.一种船坞折倒结构件热导率建模的高保真有限元优化装置，其特征在于，所述船坞折倒结构件包括超材料结构，所述船坞折倒结构件优化装置包括以下模块：
8.根据权利要求7所述的高保真有限元优化装置，其特征在于，所述根据所述有效热导率标准值，对所述有效热导率计算式进行优化，得到优化后的有效热导率计算模型，包括：
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，
技术总结
本发明公开一种高保真有限元优化方法及装置，包括：基于仅在x方向上存在温度梯度的三维均质化问题，建立非局部热传导模型；将x方向温度梯度的非局部均质化项转换为通过有限元工具获取的两个表面间温度差的形式，得到均匀温度场条件下简化模型；考虑宽度和高度的影响，得到三维微结构效应的导热模型；基于三个方向无限大的超材料结构，得到有效热导率计算式，通过高保真有限元方法，根据所述三维微结构效应的导热模型获得有效热导率标准值，对所述有效热导率计算式进行优化，得到优化后的有效热导率计算模型。可以更准确地模拟和预测复杂材料在微观结构尺度上的热性能，尤其是在考虑非局部效应的情况下，提高了热传递模型的精确度和实用性。
技术研发人员：贺学明,伍健,张宇,曾保平,张润林,刘贻欧,毋迪,毛旭耀,赖奇暐,吴勇
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一九研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23