(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 202210916426.6 (22)申请日 2022.08.01 (71)申请人 西安电子科技大 学 地址 710071 陕西省西安市太白南路2号 (72)发明人 王伟　曾旭　田锡威　孙晨　保宏　 钱思浩　曹晨　王小辉　蔡艳召　 陈春燕　薛玉卿　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 专利代理师 王晶 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 基于热超构材料的热伪装结构设计方法及 装置 (57)摘要 本发明公开了一种基于热超构材料的热伪 装结构设计方法及装置， 以一个由顶盖和底座组 成的区域作为设计域， 底座底面设为散热器， 顶 盖和底座充当目标物体与散热器 之间的热介质， 将设计域网格化为离散的热传导单元， 对热传导 单元中的导热粒子角α的分布进行优化， 再将单 元导热粒子组合成传热结构， 最后得到热伪装装 置。 装置包括顶盖、 底座、 传热结构以及目标物 体， 传热结构嵌入顶盖和底座中。 本发明由于具 有热学各向异性， 因此对内部任意形状的目标物 体都能实现与参考背景相似的表 面温度分布， 能 很好地伪装目标物体产生的热辐射。 权利要求书2页 说明书7页 附图6页 CN 115221763 A 2022.10.21 CN 115221763 A 1.基于热超构材 料的热伪装结构设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤； 步骤1， 以一个带有笛卡尔 坐标系的由顶盖和底座组成的二维设计域为背景， 其原点位 于顶盖与底座接触面的中心处， 对于受稳态热传导作用的一般各向异性复合材料， 其热传 导受傅立叶定律的控制； 步骤2， 将底座底面设为散热器， 顶盖和底座充当目标物体与散热器之间的热介质； 步骤3， 以目标物体原点为坐标轴原点建立坐标系， 再将由顶盖和底座组成的设计域网 格化为离散热传导单 元； 步骤4， 对热传导单元进行定义， 每一个热传导单元是由一个导热粒子及其周边的绝缘 基体组成的各向异性单 元； 步骤5， 对目标函数中的材料物 理参数γ进行优化设计， 得到导热粒子角 α 的分布， 以每 一个热传导单元 的导热粒子角α 为基础将热传导单元组装成整体， 热传导单元内的导热粒 子形成传热 结构； 步骤6， 将传热结构嵌入顶盖和底座中， 组合形成设计模型， 得到所需的具有高效热管 理性能的热伪装 装置设计方案 。 2.根据权利要求1所述的基于热超构材料的热伪装结构设计方法， 其特征在于， 所述步 骤1中， 在笛卡尔坐标系中使用爱因斯 坦求和约定可写成 其中， Q是固体中的体积发热， T是温度状态变量， Kij是导热系数张量。 3.根据权利要求1所述的基于热超构材料的热伪装结构设计方法， 其特征在于， 所述步 骤2中， 目标物体作为热源参与优化设计， 所述方法是采用一种复合材料， 复合材料由填充 有导热粒子的绝缘基体组成， 并对每一个导热粒子进行优化定 向， 从而得到目标物体和散 热器之间最佳的热流路径。 4.根据权利要求1所述的基于热超构材料的热伪装结构设计方法， 其特征在于， 所述步 骤3中， 设计域网格化后得到的离 散热传导单 元最大不超过2m m。 5.根据权利要求1所述的基于热超构材料的热伪装结构设计方法， 其特征在于， 所述步 骤4中， 热传导单 元之间以及其本身在x轴和y轴方向上的导热系数均不相同； 热传导单 元的二维导热系数张量 为 其中， 为简化复合材料模型， k12＝k21＝0， k11和k22分别是热传导单元在x轴和y轴方向上 关于导热 粒子角 α 的函数； k11＝k1cos2α +k2sin2α                   (3) k22＝k1sin2a+k2cos2a                   (4) 其中， α 是导热粒子与x轴的夹角， k1是平行于导热粒子方向上的单元导热系数， k2是垂 直于导热 粒子方向上的单 元导热系数； k1＝v×kf+(1‑v)×km                   (5)权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115221763 A 2其中， v为 导热粒子体积分数， kf为导热粒子导热系数， km为基体导热系数。 6.根据权利要求1所述的基于热超构材料的热伪装结构设计方法， 其特征在于， 所述步 骤5中， 优化 目标具体为增加目标物体与散热器之间的导热系 数或减少目标物体与散热器 之间的热阻， 并建立基于复合材 料理论的热超构材 料优化设计方法的目标函数； findγ subject to Eqs.(1)‑(6) 0≤γ≤1 其中， γ为材料物理参数。 当γ＝0时， 对应于导热粒子角α＝0 °， 当γ＝1时， 对应于导 热粒子角α ＝90 °， 在这一目标函数下， 优化目标转变成增加目标物体与散热器之间的导热 系数或减少目标物体与散热器之间的热阻， 且由热传导这一基本物理性质所约束， 设计变 量与材料物理参数γ相关联， 其范围为0到1， 并根据等式(3)和(4)确 定导热粒子角度α， 为 避免优化过程中的数值 不稳定， 导热 粒子角 α 限制在0 ‑90°的范围内。 7.根据权利要求1所述的基于热超构材料的热伪装结构设计方法， 其特征在于， 所述步 骤6使用有限元分析软件(COMSOL  Multiphysics  5.6)对模 型进行设计计算， 首先定义各项 物理参数数值， 设定一个任意的导热粒子体积分数， v＝0.16， 导热粒子的导热系数设定为 kf＝120W/[m ·K]， 基体的导热系数设定为km＝0.16W/[m ·K]， 材料物理参数γ的初始值设 定为0.5， 此时对应于导热粒子角α＝45 °， 目标物体功率设定为1W， 散热器温度设定为Ts＝ 273.15W， 环境温度设定为To＝293.15W， 此优化框架由基于梯度的移动渐近线方法(MMA)优 化器实现。 8.基于权利要求1 ‑7所述的方法的热超构材料的热伪装装置， 其特征在于， 包括顶盖 (1)、 底座(2)、 传热结构(3)以及目标物体(4)， 所述顶盖(1)下表面与所述底座(2)上表面相 接触， 所述传热结构(3)嵌入在所述顶盖(1)以及所述底座(2)内部， 所述目标物体(4)嵌入 在所述传热 结构(3)内部， 各部件接触面之间涂有一层导热硅 脂。 9.根据权利要求8所述的热超构材料的热伪装装置， 其特征在于， 所述底座(2)下侧设 有上背景板(5)， 上背景板(5)为方形玻璃板， 上背景板(5)中间设有一个圆孔， 底座(2)下端 嵌入在上背景板(5)的圆孔内， 上背景板(5)下侧设有铝板(6)， 铝板(6)为正方形板， 铝板 (6)下侧设有下背景板(7)， 下背景板(7)是 方形玻璃板 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115221763 A 3