分形幾何在抑制金屬介質渦流效應上的套用研究

《分形幾何在抑制金屬介質渦流效應上的套用研究》是依託清華大學，由李青峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：分形幾何在抑制金屬介質渦流效應上的套用研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李青峰
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

可充電DBS為長期臨床監測和記錄腦深部電信號進而研究大腦提供了接口，而無線充電過程中DBS金屬外殼、PCB板等金屬介質由於渦流效應增加了裝置的熱風險，這不僅降低了充電效率，還限制了裝置的進一步小型化。針對這一問題，申請人在博士論文中提出了在金屬介質上進行分形圖案切槽的方法抑制其渦流效應，本研究是在此基礎上的深入和延續。首先，擬從分形幾何參數角度，研究金屬介質渦流效應的抑制效果與分形維數、分形階數、分形尺度比、幾何尺度比等重要參數的關係，揭示分形幾何抑制渦流效應的關鍵所在。其次，從尺寸最佳化、形狀最佳化、多種分形圖案組合等角度研究分形幾何圖案的最佳化，進一步嘗試從拓撲最佳化的角度構造分形幾何圖案的自適應最佳化設計方案。該研究可為實現更快更安全的無線充電、設計更小體積的可充電植入式裝置提供指導規範和技術手段。

結題摘要

無線充電是實現植入式產品長期監測大腦信號以研究大腦的必備技術。前期研究表明，植入產品無線充電時的渦流損耗是限制充電功率和效率的重要因素，這導致了充電時間長以及充電熱傷害事件。項目在博士論文研究基礎上，研究了分形圖案的疊代次數、維數、物理尺度比、頻率等參數對渦流損耗的抑制效果，對比了分形幾何和歐式幾何作為金屬平板切槽圖案的渦流損耗抑制效果，提出了一種面向非規則圖形的切槽圖案的自適應設計方法。對於某一選定的分形圖案，存在最佳疊代次數使得金屬的渦流損耗最小，選用的分形圖案的物理尺度比越大、系統頻率越低，則該分形圖案的最佳疊代次數越小。歐式幾何中具有自適應生長性質的螺旋線作為切槽圖案時，極徑增加速度快的阿基米德螺旋和二次螺旋在有效降低渦流損耗的同時，可有效縮短切槽總長度。分形幾何和歐式幾何作為切槽圖案，二者抑制金屬渦流損耗的效果相當，但分形幾何圖案構造簡單，在簡單的規則下疊代產生，且最佳化設計不依賴金屬幾何參數。提出了一種面向非規則圖形的切槽圖案的“格線化分割—圖案構造—格線連線”的自適應設計方法，該方法可有效解決實際工程套用中面向複雜邊界形狀的金屬介質的渦流損耗抑制方案設計。