GCL学术成果：IJHMT—兼容热学微结构的拓扑优化
【论文标题】Topology Optimization of Compatible Thermal Microstructures
【作者】陈天捷，翟晓雅，刘利刚，傅孝明
【单位】中国科学技术大学
背景与问题
结构的热管理通过对热量传输与散发的调控，显著提升了系统的效率和可靠性。其应用领域涵盖电子设备、汽车工业、航空航天、能源领域以及建筑与消费电子产品等多个方面。近年来，具有独特热学特性的微结构因其在热管理中的潜在应用而备受关注。拓扑优化技术为实现这些微结构的定制化性能提供了有效手段。基于这些微结构构建的多尺度系统能够实现多种新颖功能，例如热隐身、热集中、热旋转超器件以及高热导率的结构设计等。然而，在微结构及其相应的多尺度设计过程中，如何确保微结构之间的良好连接性仍然是一个公认的挑战。
热学微结构之间的不良连接会导致最终生成的多尺度结构在预期温度场下发生不必要的温度场畸变。而此前的工作虽然认识到了热学微结构的连接性的重要性，但是对于热学微结构连接性的讨论目前基本停留在几何连接性上；对于不良连接对热学多尺度结构的物理性能影响，目前尚缺乏定量分析。
解决方案
为了量化评价热学微结构的相容性，我们对不同热学微结构的组合体进行均质化分析，得到整体的等价热传导张量；我们将这个数值测量得到的热传导张量和热学材料中串并联模型（适用于各向同性/正交各向异性热学微结构）得到的理论值进行比较，发现在缺乏物理相容性的情况下，不同单胞的拼接会造成单胞串联方向的热导率损失。这个发现为评价各向同性/正交各向异性热学微结构的物理相容性提供了一个量化的评价指标；本文提出以单胞合并后的串联方向的热阻为指标进行热学微结构的兼容性优化。
基于上述的发现，我们将不同单胞拼接的串联方向的热导率整合进入热学微结构的拓扑优化框架中，通过最大化不同单胞拼接的串联方向的热导率（最小化拼接单胞的热阻），我们可以得到具有优良物理相容性的热学微结构序列，而良好的物理相容性可以自然保证良好的几何连接性。
实验结果
基于以上方法，我们构造了具有良好物理相容性的各向同性/正交各向异性热学微结构序列。
我们利用生成的微结构序列进行了散热器和热隐身超器构件的设计。在实验中我们发现，良好的物理相容性可以在很大程度上保证多尺度热学结构的性能在宏观均质化分析和全尺度分析的一致性。这一进展保证了最终设计结果的性能和可靠性。
在热隐身超器件的设计中，我们创新性地提出了一种自下而上的设计策略，充分利用所提出的序列化热学微结构在物理相容性方面的独特优势。基于这些具有两两物理相容性的正交各向异性微结构族，我们采用遗传算法对设计域内的每个单元进行优化配置，成功实现了预期的热隐身功能。
研究贡献
在这项工作中，我们的主要贡献包括：
- 提出了一种基于均质化理论的热学微结构的物理相容性的判别指标（热阻），适用于各向同性和正交各向异性热学微结构；
- 基于所提出的指标，我们设计了一种整合了物理相容性的热学微结构序列拓扑优化算法，可以优化出保证良好物理相容性（进而保证良好几何连接性）的各向同性/正交各向异性热学微结构序列。
- 利用自下而上的方法，在正交各向异性序列的基础上设计出了热学隐身超器构件。
论文发表
该工作将发表于热学领域的顶级期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》。该期刊2023-2024年度影响因子为5.0，是工程技术领域的一区刊物之一。
论文原文
Tianjie Chen, Xiaoya Zhai∗, Ligang Liu, Xiao-Ming Fu. Topology Optimization of Compatible Thermal Microstructures. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2025.