(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221094373 6.7 (22)申请日 2022.08.08 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正 街 174号 申请人 赛力斯汽车有限公司 　 重庆金康动力新能源 有限公司 (72)发明人 杨波　高益凡　王时龙　张正萍　 周林　 (74)专利代理 机构 重庆航图知识产权代理事务 所(普通合伙) 50247 专利代理师 胡小龙 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 基于拓扑优化的电机外壳轻量化与冷却通 道布局耦合设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于拓扑优化的电机外 壳轻量化与冷却通道布局耦合设计方法， 首先利 用冷却通道拓扑优化数学模型更新冷却通道材 料属性， 得到冷却通道的拓扑结构， 再将更新得 到的冷却通道材料属性输入到电机外壳拓扑优 化数学模型中以更新电机外壳的材料属性， 从而 得到耦合冷却通道布局的电机外壳的耦合拓扑 结构模型； 以冷却通道的热性能目标Jth、 流动性 能目标Jf以及电机外壳的结构体积V(x)为拓扑 优化的目标函数， 对耦合拓扑结构 模型进行迭代 优化， 以使最终输出的耦合拓扑结构模型的目标 函数的计算结果满足设定条件， 最后以输出的耦 合拓扑结构 模型重新构建电机外壳的三维模型， 即可完成电机外壳设计， 以实现电机整体性能的 提升。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115310226 A 2022.11.08 CN 115310226 A 1.一种基于拓扑优化的电机外壳轻量化与冷却通道布局耦合设计方法， 其特征在于： 包括如下步骤： 步骤一： 确定设计域： 获取电机外 壳及冷却通道的原始三维模型， 确定电机外 壳及冷却 通道的初始设计域； 对原始三维模型进行网格划分， 建立初始有限元模型， 利用 初始有限元模型进行冷却 通道流场、 温度场分析以及电机 外壳静力学分析与模态分析； 创建冷却通道拓扑优化数 学模型和电机 外壳拓扑优化数 学模型； 步骤二： 利用冷却通道拓扑优化数 学模型更新冷却通道材 料属性； 步骤三： 将更新后的冷却通道材料属性输入电机外 壳拓扑优化数学模型以更新外 壳材 料属性， 获得电机 外壳的耦合拓扑 结构模型； 步骤四： 根据电机外壳的耦合拓扑结构模型重构电机外壳的三维模型， 对重构的三维 模型进行网格划分， 获得有限元模型， 利用有限元模型进行冷却通道流场、 温度场分析以及 电机外壳静力学分析与模态分析； 步骤五： 以冷却通道的热性能目标Jth、 流动性能目标Jf以及电机外壳的结构体积V(x) 为拓扑优化的目标函数， 计算拓扑优化的目标函数， 并判断目标函数 的计算结果是否满足 设定条件： 若是， 则判断是否达到设定的迭代次数： 若是， 则输出耦合拓扑结构； 若否， 则以当前的 耦合拓扑 结构更新冷却通道设计域， 执 行步骤二； 若否， 则以当前的耦合拓扑 结构更新冷却通道设计域， 执 行步骤二； 步骤六： 结合耦合拓扑 结构重新构建电机 外壳的三维模型， 完成电机 外壳设计。 2.根据权利要求1所述基于拓扑优化的电机外壳轻量化与冷却通道布局耦合设计方 法， 其特征在于： 基于SIMP插值法创建的冷却通道拓扑优化数 学模型为： 其中， J表示总目标函数； Jth和Jf分别表示热性能目标和流动性能目标； w1和w2分别表示 权重系数， 且w1与w2之和等于1； ρ 为流体密度； 为哈密顿算子； p为流体微团上的压力； μ为 动力粘度； u为x方向的速度矢量； n为边界外法向量； Cp为比热容； T为域中的局部温度； Q为 单位体积热源生热量； k为多孔介质的导热率； V*为液体区域材料体积分数限制； α(γ)表 示 多孔介质的逆渗透率； ΓD表示设计域边界； η为流体动力粘度； 在设计域Ω内， 引入γ作为 设计变量， 假设γ＝ 1表示流体区域， γ＝0表示固体区域， 并通过设置密度滤波和投影等方 法使得γ代 表实际物理意 义。 3.根据权利要求1所述基于拓扑优化的电机外壳轻量化与冷却通道布局耦合设计方 法， 其特征在于： 基于SIMP插值法创建的电机 外壳拓扑优化数 学模型为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115310226 A 2其中， 单元相对密度xi,j为设计变量； Vi,j为设计变量； n为设计变量个数； m表示设计单 元数； 结构体积V(x)为目标函数； C(x)为结构的柔顺度； K为结构的总体刚度矩阵； U为结构 的总体位移向量； F为结构所受载荷向量； η表示允许的应变能系数； C0表示结构初始应变 能； 引入xmin是为了避免总刚度矩阵奇异。 4.根据权利要求1所述基于拓扑优化的电机外壳轻量化与冷却通道布局耦合设计方 法， 其特征在于： 基于SIMP插值法中对中间密度的惩罚形式为： 其中， Ei为单元i的为子域编号， j表示子域内单元编号； E0代表满材料单元的弹性模量； 表示单元相密度； 惩罚因子β 的作用是当设计变量的值在(0， 1)之间时， 对中间密度值进 行惩罚， 使中间密度值逐渐向0 /1两端聚集。 5.根据权利要求1 ‑4任一项所述基于拓扑优化的电机外壳轻量化与冷却通道布局耦合 设计方法， 其特 征在于： 所述 步骤二中， 冷却通道材 料属性更新方法为： 21)求解各个单 元设计参数对目标函数的灵敏度； 22)以移动渐进 线方法作为优化迭代算法， 通过迭代求 解更新冷却通道材 料属性； 23)输出冷却通道材 料属性优化结果。 6.根据权利要求1 ‑4任一项所述基于拓扑优化的电机外壳轻量化与冷却通道布局耦合 设计方法， 其特 征在于： 所述 步骤三中， 外壳材 料属性更新方法为： 31)求解各个单 元设计参数对目标函数的灵敏度； 32)以移动渐进 线方法作为优化迭代算法， 通过迭代求 解更新冷却通道材 料属性； 33)输出电机 外壳材料属性优化结果。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115310226 A 3