CN115828422B - 基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法和装置，方法包括，以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，并以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，确定超导磁体流道中鳍片的分布位置和材料分布形式；对根据分布位置和材料分布形式确定的第一鳍片结构进行平滑处理，获得第二鳍片结构；对设置有第二鳍片结构的超导磁体流道进行结构场、温度场和流场校核，若符合校核标准，则确定设置第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。本方案通过在超导磁体流道中增加经过拓扑优化的鳍片结构，使得液氮更均匀的流向超导线圈，并且可以通过鳍片使冷量更好的传递至超导线圈。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体结构设计技术领域，特别涉及一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法和装置。
背景技术
超导磁体是超导电动悬浮列车的核心部件，为了维持超导磁体的强大电磁力必须保证由超导带材制成的超导线圈保持在临界温度之下。为了保持超导线圈的临界温度，一般会将超导线圈安装在充满液氮的箱式结构中，并通过超导磁体流道持续向箱式结构注入液氮。
可以看出，注入超导磁体流道的液氮能否均匀的流到超导线圈周围，对保持超导线圈正常工作起到关键作用。因此，如何优化超导磁体流道中液氮的流动，就成为超导磁体设计领域的一项亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法和装置，以优化超导磁体流道中液氮的流动。
本申请第一方面提供一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法，包括：
以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置；
以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式；
根据所述分布位置和所述材料分布形式确定拓扑优化后的第一鳍片结构，并采用中间圆柱骨架形式对所述初始鳍片结构进行平滑，获得平滑处理后的第二鳍片结构；
在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准；
若设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道符合所述校核标准，确定设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。
可选的，所述以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置，包括：
确定超导磁体流道设计域和鳍片拓扑优化设计域，并设置仿真参数；
将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布位置，并返回执行所述判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第一优化目标为止。
可选的，所述以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式，包括：
按照所述分布位置在所述鳍片拓扑优化设计域设置鳍片结构；
在所述鳍片拓扑优化设计域加载温度边界条件，并将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布形式，并返回执行所述判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第二优化目标为止。
可选的，所述在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准，包括：
在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件；
判断加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件后，所述超导磁体流道的应力是否小于应力阈值，鳍片热通量是否大于热通量阈值，以及液氮进出口压力是否大于压力阈值；
若所述超导磁体流道的应力小于应力阈值，鳍片热通量大于热通量阈值，以及液氮进出口压力大于压力阈值，确定设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道符合预设的校核标准。
可选的，所述在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准之后，还包括：
若设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道不符合所述校核标准，返回执行所述以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置步骤。
本申请第二方面提供一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计装置，包括：
第一优化单元，用于以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置；
第二优化单元，用于以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式；
平滑单元，用于根据所述分布位置和所述材料分布形式确定拓扑优化后的第一鳍片结构，并采用中间圆柱骨架形式对所述初始鳍片结构进行平滑，获得平滑处理后的第二鳍片结构；
校核单元，用于在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准；
确定单元，用于若设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道符合所述校核标准，确定设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。
可选的，所述第一优化单元以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置时，具体用于：
确定超导磁体流道设计域和鳍片拓扑优化设计域，并设置仿真参数；
将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布位置，并返回执行所述判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第一优化目标为止。
可选的，所述第二优化单元以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式时，具体用于：
按照所述分布位置在所述鳍片拓扑优化设计域设置鳍片结构；
在所述鳍片拓扑优化设计域加载温度边界条件，并将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布形式，并返回执行所述判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第二优化目标为止。
可选的，所述校核单元在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准时，具体用于：
在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件；
判断加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件后，所述超导磁体流道的应力是否小于应力阈值，鳍片热通量是否大于热通量阈值，以及液氮进出口压力是否大于压力阈值；
若所述超导磁体流道的应力小于应力阈值，鳍片热通量大于热通量阈值，以及液氮进出口压力大于压力阈值，确定设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道符合预设的校核标准。
可选的，所述校核单元还用于：
若设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道不符合所述校核标准，返回执行所述以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置步骤。
本申请提供一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法和装置，方法包括，以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，并以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，确定超导磁体流道中鳍片的分布位置和材料分布形式；对根据分布位置和材料分布形式确定的第一鳍片结构进行平滑处理，获得第二鳍片结构；对设置有第二鳍片结构的超导磁体流道进行结构场、温度场和流场校核，若符合校核标准，则确定设置第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。本方案通过在超导磁体流道中增加经过拓扑优化的鳍片结构，使得液氮更均匀的流向超导线圈，并且可以通过鳍片使冷量更好的传递至超导线圈。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法；
图2为本申请实施例提供的一种超导磁体流道中温度场和流动场的仿真结果示意图；
图3为本申请实施例提供的一种超导磁体流道中压力场的仿真结果示意图；
图4为本申请实施例提供的一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于理解本申请的技术方案，首先对可能涉及的部分术语进行说明。
超导磁体，超导磁体是指低温下用具有特定转变温度和临界磁场特别高的超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗。
电磁力，以超导磁浮列车为例，超导磁体与地面线圈磁体相互作用可以产生强大的电磁斥力，将超导磁浮列车悬浮与轨道上方。
超导线圈，由超导带材绕制而成的线饼组合起来的线圈称为超导线圈，超导线圈内没有电阻和焦耳耗能，因此一旦迭入电流，此电流就可以一直存在，其所产生的磁场也能在不外力做功的情况下永速保持。
液氮，液氮是指液态的氮气。工业生产中，用压缩液体空气分馏的方法获得液氮，可以用于作为深度制冷剂，提供高温超导体显示超导性所需的温度，例如钇钡铜氧。
固氮，固态氮就是氮气低温变成固体的状态。
相变，物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。
相变潜热，相变潜热简称潜热，指单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。这是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一。固、液之间的潜热称为熔解热(或凝固热)，液、气之间的称为汽化热(或凝结热)，而固、气之间的称为升华热(或凝华热)。
失超，超导体具有零电阻特性、迈斯纳(Meissner)效应和约瑟夫森(Josephson)效应这三大基本特性，临界温度、临界磁场以及临界电流是超导体的三个重要参数。温度、磁场及电流中的任一参数超过临界值，超导磁体都会发生相变，成为常导体，此过程称为失超。保持超导体的工作温度不变，只有当流过超导体的电流降到恢复电流以下时，超导体才能稳定地恢复为超导态。
流道，流道是指液压系统中流体在元件内流动的通路。
拓扑优化，拓扑优化(topology optimization)是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。
弹性应变能，弹性应变能是指在变形过程中，外力所作的功转变为储存于固体内的能量，固体在外力作用下，因变形而储存能量称为变形能或应变能。
体积分数，施加30％的体积分数，意味着最佳设计的体积必须小于或等于原始体积的30％。其中，原始体积，是指开始设计前初始的设计域的体积。
为了解决超导磁体流道的结构设计问题，本申请提出了一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法，根据鱼鳍结构的启发，在超导磁体流道结构中增加鳍片结构。在仿生鳍片的作用下可以使液氮更均匀的流向超导线圈，并且可以通过鳍片使冷量更好的传递至超导线圈。
本方案的基本原理如下。首先，建立超导磁体初始模型，确定超导磁体流道设计域，加载液氮进出口压力等边界条件，以液氮分布均匀为优化目标进行拓扑优化，确定鳍片分布；其次，在确定分布位置后，加载温度边界条件，以冷量传递最大和鳍片结构最轻为目标进行拓扑优化，确定鳍片材料分布形式；再次，借鉴鱼鳍结构，根据鳍片的分布位置和形式，对拓扑优化后的结构进行平滑处理；最后，对基于仿生鳍片的超导磁体流道结构进行校核分析。
下面结合附图对本实施例提供的基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法进行具体说明。请参见图1，为该方法的流程图，该方法可以包括如下步骤。
S101，以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置。
首先对超导磁体流道，流道内的鳍片和超导磁体之间的位置关系进行说明。
超导线圈安装在充满液氮的箱式结构中，箱式结构顶部设置有液氮注入口，注入口下方既为液氮流道，鳍片结构位于箱式结构内部的流道上。注入液氮后，液氮位于鳍片和超导线圈之间。
步骤S101的具体执行过程可以包括：
A1，确定超导磁体流道设计域和鳍片拓扑优化设计域，并设置仿真参数；
A2，将鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
A3，判断按鳍片的分布位置设置鳍片时超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标；
A4，若不满足，更新鳍片的分布位置，并返回执行判断按鳍片的分布位置设置鳍片时超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标步骤，直至超导磁体流道满足第一优化目标为止。
在步骤A1中，可以先建立超导磁体初始模型，然后根据该超导磁体的初始模型确定超导磁体流道设计域，并将流道上方30至40mm的区域设置为鳍片拓扑优化设计域。
A1中设置的仿真参数，可以包括液氮加载进口位置和出口位置，流体类型，流体的温度和对流换热系数。在本实施例中，由于流道内的流体为液氮，因此可以将流体类型设定为弱可压缩流体，温度设置为77K，对流换热系数设置为10W/(m2·K)。
在步骤A2中，罚函数可以定义为ρdesign(X)，X表示鳍片拓扑优化设计域内各个网格节点，在罚函数中，每一个网格节点都对应一个罚函数值，且罚函数值为1或0，其中，若一个网格节点的罚函数值为0，表示该网格节点对应于导冷结构的空洞部分，在优化计算时不考虑该网格节点，若一个网格节点的罚函数值为1，表示该网格节点对应于导冷结构的实体部分，在优化计算时需要考虑该网格节点。
A2中的杨氏模量，密度和热容，均为鳍片所用材料的参数。
通过定义罚函数，可以在优化计算时筛选出有用的网格节点，而忽略对设计结果无没有影响的网格节点。
可选的，罚函数可以采用多种不同的拓扑优化算法确定，本实施例对此不作限定，作为一个示例，本实施例中可以采用各项正交惩罚材料变密度法(Solidisotropicmaterialwithpenalizationmodel，SIMP)算法确定罚函数。
在步骤A3中，可以先按照鳍片的分布位置在超导磁体流道模型中设置鳍片，然后，根据A1中设置的仿真参数，对液氮在设置了鳍片后的超导磁体流道模型中流动时的流场和温度场进行数值仿真，获得如图2所示的超导磁体流道中温度场和流动场的仿真结果，再根据该仿真结果确定当前的超导磁体流道模型中的液氮分布均匀程度，同时根据密度和罚函数的乘积以及鳍片的分布位置计算得到当前的超导磁体流道模型的重量，最后结合重量和液氮分布均匀程度判断此时的超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标。
首次执行步骤A3时，鳍片的分布位置可以是预先设定好的初始分布位置。
其中，液氮分布均匀的程度，可以通过箱式结构各区域温度差来衡量，具体的，对于按照特定的鳍片分布位置在超导磁体流道内设置鳍片后，可以对流道出口处连接的用于放置超导磁体的箱式结构内的温度场进行数值仿真，从而确定此时箱式结构内各区域之间的温度差，该温度差越小，说明按当前的鳍片分布位置设置鳍片时液氮分布均匀程度越高，即液氮分布越均匀。
需要说明的是，在步骤A3和A4反复优化鳍片的分布位置的过程中，需要设置体积分数不超过30％的限制条件，即按照分布位置设置鳍片时，鳍片的体积不应超过鳍片拓扑优化设计域的30％。
鳍片的分布位置，具体可以包括超导磁体流道内设置的鳍片数量和间隔，也就是说，通过S101可以确定使超导磁体流道满足液氮分布均匀且重量最轻这一优化目标，需要设置的鳍片数量n，以及每两片相邻的鳍片之间的间隔d。
S102，以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式。
步骤S102的执行过程可以包括：
B1，按照分布位置在鳍片拓扑优化设计域设置鳍片结构；
B2，在鳍片拓扑优化设计域加载温度边界条件，并将鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
B3，判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标；
B4，若不满足，更新鳍片的分布形式，并返回执行判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标步骤，直至超导磁体流道满足第二优化目标为止。
示例性的，假设步骤S101中优化后确定的分布位置包括鳍片数量n和间隔d。那么执行B1时，就可以在鳍片拓扑优化设计域内按照间隔d设置n片鳍片，鳍片的横截面形状和尺寸可以为预先设定的默认形状和默认尺寸。
在步骤B2中，温度边界条件，具体可以包括如下参数：
液氮温度77K，超导磁体的线圈温度30K，流道及线圈之间截面热阻为10-4K*m2/W。
在步骤B3中，可以在加载了上述温度边界条件后，对液氮在设置了鳍片后的超导磁体流道模型中流动时的流场和温度场进行数值仿真，根据该仿真结果确定当前的超导磁体流道模型中的冷量传递；然后结合此时鳍片的分布形式和S101中确定的鳍片的分布位置，以及密度和罚函数的乘积计算得到此时鳍片结构的重量，最后根据流道的冷量传递和鳍片结构判断此时的超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标。
首次执行步骤B3时，鳍片的分布形式可以是预先设定好的初始分布形式。
其中，冷量传递的大小，可以用流道区域内截面的热通量表示，流道区域的截面的热通量可以根据仿真结果进行积分运算得到。相同时间内热通量越大，说明冷量传递的越大。
需要说明的是，在步骤B3和B4反复优化鳍片的分布形式的过程中，需要设置体积分数不超过30％的限制条件，即确定鳍片的分布形式后，根据分布形式和S101确定出的分布位置计算得到的鳍片结构的体积，不应超过鳍片拓扑优化设计域的30％。
鳍片的分布形式，具体可以包括若干项和鳍片的形状相关的参数，例如鳍片的横截面的形状，横截面的尺寸等。
S103，根据分布位置和材料分布形式确定拓扑优化后的第一鳍片结构，并采用中间圆柱骨架形式对初始鳍片结构进行平滑，获得平滑处理后的第二鳍片结构。
在步骤S103中，可以先按照S101确定的分布位置，以对应的间隔在鳍片拓扑优化设计域内设置对应数量的鳍片，然后按照S102确定的分布形式设定每一鳍片的形状，从而获得拓扑优化后的第一鳍片结构。
在进行平滑处理时，可以先对第一鳍片结构的外表面进行去除毛刺处理，从而去除表面突出或凹陷的材料。然后，对鳍片的形状进行微调，将鳍片的中间调高，两边调低，使鳍片的外形贴近鱼鳍的形状。
S104，在设置有第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准。
若设置第二鳍片结构的超导磁体流道不符合校核标准，返回执行以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置步骤，即返回执行步骤S101，重新进行超导磁体流道中鳍片的结构设计。
若设置第二鳍片结构的超导磁体流道符合校核标准，执行步骤S105。
步骤S104的具体执行过程可以包括：
C1，在设置有第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件；
C2，判断加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件后，超导磁体流道的应力是否小于应力阈值，鳍片热通量是否大于热通量阈值，以及液氮进出口压力是否大于压力阈值；
C3，若超导磁体流道的应力小于应力阈值，鳍片热通量大于热通量阈值，以及液氮进出口压力大于压力阈值，确定设置第二鳍片结构的超导磁体流道符合预设的校核标准。
步骤C1中的结构场、温度场和流场边界条件，可以根据超导磁体流道的具体应用环境而设定，本实施例不做限定。
在步骤C2中，超导磁体流道的应力，具体可以是流道的最大冯·米塞斯(Von-Mises)应力，应力阈值可以设定为流道所用材料的屈服应力的85％，热通量阈值可以设定为1.5W，压力阈值可以设定为5Pa。
在步骤C2中，可以先根据加载了C1提及的边界条件后的超导磁体流道进行数值仿真，获得如图2所示的温度场和流动场的仿真结果，以及如图3所示的超导磁体流道中压力场的仿真结果，然后再根据这些仿真结果计算得到C2中的超导磁体流道的应力，鳍片热通量和液氮进出口压力等指标。
S105，确定设置第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。
本实施例的优点在于：
在设计过程中，现有的超导磁体流道设计方法依赖结构原始构型和工程师经验，设计过程繁琐、效率低、精度差，难以获得满足设计要求的最优材料分布形式。
本发明提出了一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法，根据鱼鳍结构的启发，在超导磁体流道结构中增加鳍片结构。在仿生鳍片的作用下可以使液氮更均匀的流向超导线圈，并且可以通过鳍片使冷量更好的传递至超导线圈。
根据本实施例提供的基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法，本申请实施例还提供一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计装置，请参见图4，为该装置的结构示意图，该装置可以包括如下单元。
第一优化单元401，用于以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置；
第二优化单元402，用于以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式；
平滑单元403，用于根据分布位置和材料分布形式确定拓扑优化后的第一鳍片结构，并采用中间圆柱骨架形式对初始鳍片结构进行平滑，获得平滑处理后的第二鳍片结构；
校核单元404，用于在设置有第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准；
确定单元405，用于若设置第二鳍片结构的超导磁体流道符合校核标准，确定设置第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。
可选的，第一优化单元401以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置时，具体用于：
确定超导磁体流道设计域和鳍片拓扑优化设计域，并设置仿真参数；
将鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布位置设置鳍片时超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标；
若不满足，更新鳍片的分布位置，并返回执行判断按鳍片的分布位置设置鳍片时超导磁体流道是否满足氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标步骤，直至超导磁体流道满足第一优化目标为止。
可选的，第二优化单元402以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式时，具体用于：
按照分布位置在鳍片拓扑优化设计域设置鳍片结构；
在鳍片拓扑优化设计域加载温度边界条件，并将鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标；
若不满足，更新鳍片的分布形式，并返回执行判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标步骤，直至超导磁体流道满足第二优化目标为止。
可选的，校核单元404在设置有第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准时，具体用于：
在设置有第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件；
判断加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件后，超导磁体流道的应力是否小于应力阈值，鳍片热通量是否大于热通量阈值，以及液氮进出口压力是否大于压力阈值；
若超导磁体流道的应力小于应力阈值，鳍片热通量大于热通量阈值，以及液氮进出口压力大于压力阈值，确定设置第二鳍片结构的超导磁体流道符合预设的校核标准。
可选的，校核单元404还用于：
若设置第二鳍片结构的超导磁体流道不符合校核标准，返回执行以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置步骤。
本实施例提供的基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计装置，其具体工作原理和有益效果可以参见本申请实施例提供的基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法的相关步骤和有益效果，不再赘述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计方法，其特征在于，包括：
以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置；
以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式；
根据所述分布位置和所述材料分布形式确定拓扑优化后的第一鳍片结构，并采用中间圆柱骨架形式对所述第一鳍片结构进行平滑，获得平滑处理后的第二鳍片结构；其中，平滑处理包括：对所述第一鳍片结构的外表面进行去除毛刺处理，将所述第一鳍片结构的中间调高，两边调低；
在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准；
若设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道符合所述校核标准，确定设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置，包括：
确定超导磁体流道设计域和鳍片拓扑优化设计域，并设置仿真参数；
将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足液氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布位置，并返回执行所述判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足液氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第一优化目标为止。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式，包括：
按照所述分布位置在所述鳍片拓扑优化设计域设置鳍片结构；
在所述鳍片拓扑优化设计域加载温度边界条件，并将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布形式，并返回执行所述判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第二优化目标为止。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准，包括：
在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件；
判断加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件后，所述超导磁体流道的应力是否小于应力阈值，鳍片热通量是否大于热通量阈值，以及液氮进出口压力是否大于压力阈值；
若所述超导磁体流道的应力小于应力阈值，鳍片热通量大于热通量阈值，以及液氮进出口压力大于压力阈值，确定设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道符合预设的校核标准。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准之后，还包括：
若设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道不符合所述校核标准，返回执行所述以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置步骤。
6.一种基于仿生鳍片的超导磁体流道结构设计装置，其特征在于，包括：
第一优化单元，用于以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置；
第二优化单元，用于以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式；
平滑单元，用于根据所述分布位置和所述材料分布形式确定拓扑优化后的第一鳍片结构，并采用中间圆柱骨架形式对所述第一鳍片结构进行平滑，获得平滑处理后的第二鳍片结构；其中，平滑处理包括：对所述第一鳍片结构的外表面进行去除毛刺处理，将所述第一鳍片结构的中间调高，两边调低；
校核单元，用于在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准；
确定单元，用于若设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道符合所述校核标准，确定设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道为设计好的目标超导磁体流道。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一优化单元以液氮分布均匀且重量最轻为第一优化目标进行热流耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的分布位置时，具体用于：
确定超导磁体流道设计域和鳍片拓扑优化设计域，并设置仿真参数；
将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足液氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布位置，并返回执行所述判断按鳍片的分布位置设置鳍片时所述超导磁体流道是否满足液氮分布均匀且重量最轻的第一优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第一优化目标为止。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二优化单元以冷量传递最大且鳍片结构最轻为第二优化目标进行热力耦合优化，以确定超导磁体流道中鳍片的材料分布形式时，具体用于：
按照所述分布位置在所述鳍片拓扑优化设计域设置鳍片结构；
在所述鳍片拓扑优化设计域加载温度边界条件，并将所述鳍片拓扑优化设计域的杨氏模量，密度和热容乘以预设的罚函数；
判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标；
若不满足，更新所述鳍片的分布形式，并返回执行所述判断按鳍片的分布形式设置鳍片结构时所述超导磁体流道是否满足冷量传递最大且鳍片结构最轻的第二优化目标步骤，直至所述超导磁体流道满足所述第二优化目标为止。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述校核单元在设置有所述第二鳍片结构的超导磁体流道上加载结构场边界条件、温度场边界条件和流场边界条件，以校核设置所述第二鳍片结构的超导磁体流道是否符合预设的校核标准时，具体用于：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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