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通过密度方法进行拓扑优化
工程师在设计飞机和空间应用中的轻量化结构部件时有很大的自由度，因此使用能够开发自由度的方法很有意义。拓扑优化是在早期设计阶段普遍使用的方法。拓扑优化方法通常需要进行正则化和特殊的插值函数才能获得有意义的设计，这对于新手和有经验的仿真用户而言都比较困难。
通过仿真保持恒温箱中的低温
一架空中救护飞机从头顶飞过，急速驶向一家医院，它正在将一个器官运送到需要它的病人那里，对其进行抢救治疗。为了使器官在运输过程中保持适当的温度，它被放在一个特殊的容器里，这个容器被称为冷箱或恒温箱。通过仿真，您可以分析这些箱子的设计，以确保它们对于挽救生命是可靠的。 通过冷藏链运输易腐物品 恒温箱用于保存各种产品，包括： 器官和组织 药品 易腐食品（如烘焙食品） 疫苗 试剂 例如，当准备好器官准备捐献时，这些容器（以及保存液）是运输过程（通常称为冷藏链）的重要组成部分，因为器官可能在捐赠过程中从一个箱子转移到另一个箱子。当医疗专业人员努力寻找器官并将其传递给合适的配对者时，这个箱子可以保护器官免受高温和低温的影响。理想情况下，器官应保持在 2°C（4°C）至8°C 的特定温度范围内。当恒温箱内温度高于或低于这个温度范围时，器官就会受到损坏。 根据使用目的的不同，恒温箱可能需要持续几个小时到几天的时间。回到我们的器官的例子，许多器官最多可以保存几个小时（例如，肺大约只能保存6个小时）。疫苗没有时间限制，但是与器官一样，疫苗从制造到使用期间都需要保持在 2至8°C 的温度范围内。对于偏远地区的患者而言，此过程可能需要数周时间，并且涉及多种类型的恒温设备，例如冷藏车。 像这样的冷藏车被用来运输易腐物品，例如烘焙食品。 为了使冷藏链中没有断开的环节，每个恒温容器都必须非常好地维持其所需的温度范围。同样也需要了解箱子可以使用的有效时间。为了预测这一时间，工程师可以使用传热仿真软件来分析设计。在下一部分中，我们将看到一个使用传热模块（COMSOL Multiphysics®软件的附加产品）创建的示例。 通过传热模块对恒温箱建模 在此示例中，让我们来看一个恒温箱，它的设计是让放在其中的物体可以在2-8°C的温度下保持至少24小时。这个箱子包含三个主要组件部分： 放于箱子里的物品（例如药物） 冷源（-5°C的冰） 一种绝缘材料（泡沫），它可将冰与周围环境以及箱子中的物品分隔开 在这里，冰实际上是水和增稠剂的低共熔混合物。较高的粘度意味着当冰开始融化时，由于对流运动较少，因此升温速度较慢。另外，您可以通过假设箱子完全装满来简化模型。（如果你在运输过程中使用过度包装来保护产品免受冲击，可能会出现这种情况。) 恒温箱的3D模型。 通过在 COMSOL Multiphysics 中直接输入来自美国供热，制冷和空调工程师协会（ASHRAE）的历史气候数据，就可以轻松计算出箱子周围的温度。这里的天气数据来自西班牙塞维利亚的一个气象站。从6月1日上午6点开始，该模型将包含接下来72小时内变化的温度，温度随时间变化曲线如下图所示。通过应用对流冷却边界条件，可以看到温度是如何影响箱子的。 西班牙塞维利亚6月1日上午6时至6月4日上午6时的气温历史气象数据。 该模型的一个重要方面是冰到水的相变过程。在箱子中，共熔混合物作为一种能量存储设备，被放置在盒子的四面。当冰达到约0°C时，它就开始融化，从周围吸收能量并帮助医疗物品保持冷藏状态。因此，只要箱子中仍然有冰，它就可以防止里面的物品超过8°C这一临界温度。 既然您知道如何将温度保持在理想范围内，那么下一个问题是：这个箱子能保持低温多长时间呢？您可以在下一部分中得到解答。 恒温箱可以让放置其中的物品保持多长冷却时间？ 使用这样的模型，您可以看到箱子中的温度如何随时间变化（本例中为72小时）。如下图所示，冰的温度一开始迅速上升了约4度。 该图显示了在72小时的时间内，最高和最低临界温度（虚线）与箱子内物品的温度以及融化冰的比例关系。 在接下来的24小时内，温度保持平稳状态。在随后的48小时内，温度也保持在正常范围内。但是，在此之后不久，冰就完全融化了，此时温度开始接近临界温度，之后超过了临界温度。你可以由下图看到温度随时间的推移而升高。 箱子温度的动画图。 通过这个例子可以看出，工程师可以使用仿真来分析恒温容器的设计，预测放于箱子内的物品在临界温度范围内可以停留多长时间。然后，他们可以优化设计，确保医疗产品和其他易腐物品在整个旅程中都能得到保护 下一步 单击下面的按钮，就会进入案例库中，在那里可以查看该模型的 PDF 以及 MPH 文件（需要有效的软件许可证的）。 恒温箱示例 进一步阅读 在下列博客文章中了解有关仿真的更多信息： 研究相变材料的热性能 模拟热虹吸管中的相变 具有迟滞的相变材料的热建模
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