一种热防护结构的一体化设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种热防护结构的一体化设计方法及装置，其中，所述方法包括：根据热防护结构承受的机械载荷和热载荷，确定结构力柔度对应的第一目标函数以及所述第一目标函数的第一约束条件并确定结构热柔度对应的第二目标函数以及所述第二目标函数的第二约束条件；根据第一目标函数和第二目标函数，确定结构力热一体化的目标函数，以获得所述热防护结构的结构布局，所述结构力热一体化的目标函数满足体积分数约束条件；基于确定的所述结构布局，对所述结构布局中的尺寸进行优化，以得到所述热防护结构的最终质量。本发明专利技术提供的热防护结构的一体化设计方法及装置，能够充分发挥材料潜能，减轻结构质量，并同时满足机械方面和热方面的约束条件。

【技术实现步骤摘要】
一种热防护结构的一体化设计方法及装置
本专利技术涉及飞行器结构优化设计
，具体涉及一种热防护结构的一体化设计方法及装置。
技术介绍
20世纪中期，伴随着飞行器的一次又一次的试飞成功，高超声速飞行的概念逐步在全球范围内引起重视。近年来在飞行器领域，国际上的一个热点问题就是高速飞行器。高速飞行器在民用和军用领域都有广阔的应用前景，尤其在武器方面。在可以预见的未来，高速飞行的武器是一个重要的战略威慑手段。而在发动机推力一定的条件下，质量更轻的飞行器最大升限和最大巡航速度显而易见都要更大，开展多功能轻质高效结构的研究有重要意义。高速飞行器结构的一大考验是需要承受住高速飞行过程中严重的气动加热载荷，因此高速飞行器的结构设计除了需要满足机械方面的设计要求外，还必须同时满足热方面的设计要求。为了满足热方面的设计要求，达到温度的约束条件，防止材料的机械性能(如刚度、强度)急剧退化，高速飞行器上普遍存在防热结构。而随着多功能复合材料的发展，出现了一些可以在高温下有效承受机械载荷和热载荷的材料，如碳碳复合材料。这些材料打破了防热结构与承力结构的明确界限，使得结构防热和承力一体化设计成为了可能。然而，目前的飞行器的结构设计，均无法充分发挥多功能复合材料的性能。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种热防护结构的一体化设计方法及装置，能够针对不同的热载荷和机械载荷，得到热防护结构的合理布局及具体尺寸，从而能够充分发挥材料潜能，减轻结构质量，并同时满足机械方面和热方面的约束条件。为实现上述目的，本专利技术实施例一方面提供一种热防护结构的一体化设计方法，所述方法包括：根据热防护结构承受的机械载荷和热载荷，确定结构力柔度对应的第一目标函数以及所述第一目标函数的第一约束条件并确定结构热柔度对应的第二目标函数以及所述第二目标函数的第二约束条件；根据所述第一目标函数和所述第二目标函数，确定结构力热一体化的目标函数，以获得所述热防护结构的结构布局，所述结构力热一体化的目标函数满足体积分数约束条件；基于确定的所述结构布局，对所述结构布局中的尺寸进行优化，以得到所述热防护结构的最终质量。进一步地，按照下述公式确定所述第一目标函数：其中，ue为单元位移矩阵，ks为在弹性模量为单位1时的单元刚度矩阵，N为结构单元总数，xe为单元相对密度，Ee(xe)为弹性模量；按照下述公式确定所述第一约束条件：Ksu＝Fs；V(x)/V0＝f；0≤x≤1其中，Ks表示整体刚度矩阵，u表示整体位移矩阵，Fs表示结构所受外力矢量，x为所述单元相对密度的矢量表示，V(x)表示优化后的结构实际体积，V0表示结构初始体积，f表示体积分数。进一步地，按照下述公式确定所述第二目标函数：其中，kc为在传热系数为单位1时的单元传热系数矩阵，Te表示单元温度矩阵，ke(xe)表示传热系数，xe为单元相对密度，N为结构单元总数；按照下述公式确定所述第二约束条件：KcT＝Fc；V(x)/V0＝f；0≤x≤1其中，Kc表示整体传热系数矩阵，T表示整体温度矩阵，Fc表示结构所受热流矢量，x为所述单元相对密度的矢量表示，V(x)表示优化后的结构实际体积，V0表示结构初始体积，f表示体积分数。进一步地，按照下述公式确定所述结构力热一体化的目标函数：其中，ue为单元位移矩阵，ks为在弹性模量为单位1时的单元刚度矩阵，N为结构单元总数，xe为单元相对密度，Ee(xe)为弹性模量，kc为在传热系数为单位1时的单元传热系数矩阵，Te表示单元温度矩阵，ke(xe)表示传热系数，Js和Jc为归一化参数，ws为有关结构力柔度的权重系数，wc为有关结构热柔度的权重系数；按照下述公式确定所述体积分数约束条件：Ksu＝Fs+FT；KcT＝Fc；V(x)/V0＝f；0≤x≤1其中，Ks表示整体刚度矩阵，u表示整体位移矩阵，Fs表示结构所受外力矢量，FT表示等效温度载荷矢量，Kc表示整体传热系数矩阵，T表示整体温度矩阵，Fc表示结构所受热流矢量，x为所述单元相对密度的矢量表示，V(x)表示优化后的结构实际体积，V0表示结构初始体积，f表示体积分数。进一步地，所述结构力热一体化的目标函数中的单元相对密度按照下述公式进行迭代：xen+1＝xenBeη其中，xen+1表示第n+1次迭代后的单元相对密度，Be表示迭代系数，η表示阻尼系数，Be按照下述公式进行确定：其中，λ表示调整系数。进一步地，基于确定的所述结构布局，对所述结构布局中的尺寸进行优化包括：随机生成第一代设计变量，并将所述第一代设计变量存储于第一文档中；根据所述结构布局，建立所述热防护结构的有限元模型，并将所述第一文档中的第一代设计变量应用于所述有限元模型中；对所述有限元模型进行分析，并将分析得到的物理量存储于第二文档中；判断所述第二文档中的物理量是否满足预设温度约束条件和预设应力预设条件；若满足，读取所述热防护结构的总质量；判断读取的所述总质量是否达到遗传代数或者是否收敛；若达到遗传代数或者收敛，则结束尺寸优化过程。进一步地，所述方法还包括：若所述第二文档中的物理量不满足预设温度约束条件和预设应力预设条件，则删除所述第一文档中的第一代设计变量。进一步地，所述方法还包括：若未达到遗传代数或者未收敛，对所述总质量进行适应性评分，并基于评分结果进行遗传变异，以生成下一代设计变量，并将所述下一代设计变量存储于所述第一文档中。为实现上述目的，本申请另一方面还提供一种热防护结构的一体化设计装置，所述装置包括：载荷目标函数确定单元，用于根据热防护结构承受的机械载荷和热载荷，确定结构力柔度对应的第一目标函数以及所述第一目标函数的第一约束条件并确定结构热柔度对应的第二目标函数以及所述第二目标函数的第二约束条件；结构布局确定单元，用于根据所述第一目标函数和所述第二目标函数，确定结构力热一体化的目标函数，以获得所述热防护结构的结构布局，所述结构力热一体化的目标函数满足体积分数约束条件；尺寸优化单元，用于基于确定的所述结构布局，对所述结构布局中的尺寸进行优化，以得到所述热防护结构的最终质量。进一步地，所述结构布局确定单元按照下述公式确定所述结构力热一体化的目标函数：其中，ue为单元位移矩阵，ks为在弹性模量为单位1时的单元刚度矩阵，N为结构单元总数，xe为单元相对密度，Ee(xe)为弹性模量，kc为在传热系数为单位1时的单元传热系数矩阵，Te表示单元温度矩阵，ke(xe)表示传热系数，Js和Jc为归一化参数，ws为有关结构力柔度的权重系数，wc为有关结构热柔度的权重系数；所述结构布局确定单元按照下述公式确定所述体积分数约束条件：Ksu＝Fs+FT；KcT＝Fc；V(x)/V0＝f；0≤x≤1其中，Ks表示整体刚度矩阵，u表示整体位移矩阵，Fs表示结构所受外力矢量，FT表示等效温度载荷矢量，Kc表示整体传热系数矩阵，T表示整体温度矩阵，Fc表示结构所受热流矢量，x为所述单元相对密度的矢量表示，V(x)表示优化后的结构实际体积，V0表示结构初始体积，f表示体积分数。本专利技术与现有技术相比，至少具备以下有益效果：本专利技术综合考虑结构承受机械载荷和热载荷的性能，研究拓扑优化中目标函数和约束条件，将单目标优化拓广至多目标拓扑优化；将应用领域从单一的机械载荷的作用，拓广至温度场与力场耦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热防护结构的一体化设计方法，其特征在于，所述方法包括：根据热防护结构承受的机械载荷和热载荷，确定结构力柔度对应的第一目标函数以及所述第一目标函数的第一约束条件并确定结构热柔度对应的第二目标函数以及所述第二目标函数的第二约束条件；根据所述第一目标函数和所述第二目标函数，确定结构力热一体化的目标函数，以获得所述热防护结构的结构布局，所述结构力热一体化的目标函数满足体积分数约束条件；基于确定的所述结构布局，对所述结构布局中的尺寸进行优化，以得到所述热防护结构的最终质量。

【技术特征摘要】
1.一种热防护结构的一体化设计方法，其特征在于，所述方法包括：根据热防护结构承受的机械载荷和热载荷，确定结构力柔度对应的第一目标函数以及所述第一目标函数的第一约束条件并确定结构热柔度对应的第二目标函数以及所述第二目标函数的第二约束条件；根据所述第一目标函数和所述第二目标函数，确定结构力热一体化的目标函数，以获得所述热防护结构的结构布局，所述结构力热一体化的目标函数满足体积分数约束条件；基于确定的所述结构布局，对所述结构布局中的尺寸进行优化，以得到所述热防护结构的最终质量。2.根据权利要求1所述的热防护结构的一体化设计方法，其特征在于，按照下述公式确定所述第一目标函数：其中，ue为单元位移矩阵，ks为在弹性模量为单位1时的单元刚度矩阵，N为结构单元总数，xe为单元相对密度，Ee(xe)为弹性模量；按照下述公式确定所述第一约束条件：Ksu＝Fs；V(x)/V0＝f；0≤x≤1其中，Ks表示整体刚度矩阵，u表示整体位移矩阵，Fs表示结构所受外力矢量，x为所述单元相对密度的矢量表示，V(x)表示优化后的结构实际体积，V0表示结构初始体积，f表示体积分数。3.根据权利要求1所述的热防护结构的一体化设计方法，其特征在于，按照下述公式确定所述第二目标函数：其中，kc为在传热系数为单位1时的单元传热系数矩阵，Te表示单元温度矩阵，ke(xe)表示传热系数，xe为单元相对密度，N为结构单元总数；按照下述公式确定所述第二约束条件：KcT＝Fc；V(x)/V0＝f；0≤x≤1其中，Kc表示整体传热系数矩阵，T表示整体温度矩阵，Fc表示结构所受热流矢量，x为所述单元相对密度的矢量表示，V(x)表示优化后的结构实际体积，V0表示结构初始体积，f表示体积分数。4.根据权利要求1所述的热防护结构的一体化设计方法，其特征在于，按照下述公式确定所述结构力热一体化的目标函数：其中，ue为单元位移矩阵，ks为在弹性模量为单位1时的单元刚度矩阵，N为结构单元总数，xe为单元相对密度，Ee(xe)为弹性模量，kc为在传热系数为单位1时的单元传热系数矩阵，Te表示单元温度矩阵，ke(xe)表示传热系数，Js和Jc为归一化参数，ws为有关结构力柔度的权重系数，wc为有关结构热柔度的权重系数；按照下述公式确定所述体积分数约束条件：Ksu＝Fs+FT；KcT＝Fc；V(x)/V0＝f；0≤x≤1其中，Ks表示整体刚度矩阵，u表示整体位移矩阵，Fs表示结构所受外力矢量，FT表示等效温度载荷矢量，Kc表示整体传热系数矩阵，T表示整体温度矩阵，Fc表示结构所受热流矢量，x为所述单元相对密度的矢量表示，V(x)表示优化后的结构实际体积，V0表示结构初始体积，f表示体积分数。5.根据权利要求4所述的热防护结构的一体化设计方法，其特征在于，所述结构力热一体化的目标函数中的单元相对密度按照下述公式进行迭代：xen+1＝xenBeη其中，xen+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶洲，李林琳，李卫洁，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11