随形冷却系统因为能够对几何复杂的制品进行均匀冷却,并且冷却效率高,已经被模具设计工作者广泛关注。近年来,随着注塑工业制品需求的增长和3D打印技术的兴起,随形冷却管道对于复杂制品均匀冷却的优越性就更加显现出来,在注塑冷却系统设计过程中,主要考虑的因素是型腔表面温度的热传导,而边界元法(Boundary element method,简称BEM)对于该类问题应用广泛,且该方法也是现有大多数商业软件所采用的。但目前相关的优化设计方法研究仍属于起步阶段,已有的设计方法大多是基于二维结构,并且未能够实现管道的自由设计,而现有的流-热耦合拓扑优化方法在该问题上也存在诸多问题。本文以注塑成型中的关键部件模具为研究对象,采用数值模拟的方法对模具中冷却管道系统的结构优化设计问题进行研究,实现注塑制品表面均匀冷却的同时提高冷却速率的目的。开发了一种基于显式描述组件的拓扑优化方法来设计用于注塑成型的随形冷却管道系统。在优化设计过程中,采用达西方程求解冷却管道系统中流体的流动,利用周期平均法简化了注塑成型过程中模具温度随注塑成型周期的变化,采用边界元法求解控制方程,并进行了设计灵敏度分析(Design sensitivity analysis,简称DSA)。优化设计中初始的冷却管道系统是有随机获得的覆盖随形表面的管道组件组成,在冷却管道系统中引入虚拟管道来实现整个管道系统的连通。在优化过程中我们选择每个管道柱体截面的半径和节点坐标作为设计变量,通过目标函数和约束函数的作用修改柱体单元的几何特征来实现冷却管道系统的拓扑形状。最终通过对优化结果后处理来获得满足设计需求的冷却系统的拓扑。与现有的注塑冷却设计方法相比,本文提出的方法可以实现拓扑结构设计,并根据制品随形表面不同区域的冷却难度来设计最佳冷却管道系统的分布,可以避免生成复杂的三维有限元网格,同时由于冷却管道系统是通过节点单元形式显式描述的,其可以轻松考虑几何约束,并能够将优化得到的最佳设计结果方便地合并到计算机辅助设计(Computer aided design,简称CAD)系统中。通过具有代表性的平板算例和盒子形算例模型来评估我们的方法的有效性,结果表明本文提出的方法在提高冷却效率和减少冷却管道占模具设计域百分比的同时提高了对制品冷却的均匀性,另外,获得的最佳优化设计,在随形面难以冷却的区域附近,冷却液的流速比初始设计提高了将近一个数量级,而且在易于冷却的区域中,冷却管道相对稀疏。