一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法技术

本发明专利技术公开了一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法，本方法考虑了高超声速舵面热气动弹性设计中的不确定因素，根据顶点法来建立不确定输入参数的样本空间。考虑气动加热产生的热应力对舵面固有属性产生的影响，实现双向流固耦合方法来准确模拟舵面在阵风载荷作用下的动响应历程。在此基础上，引入可靠性指标，根据分析结果的上下界，对舵面结构进行可靠性分析。基于上述过程，可以以舵面结构重量为优化目标，以舵面最大位移及根部最大约束力、约束力矩的可靠性为约束条件，实现高超声速舵面的非概率气动弹性可靠性优化设计。本方法在保证高超声速舵面结构高可靠性的前提下，降低结构质量，为高超声速舵面的热气动弹性设计提供了一种新思路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高超声速舵面结构优化设计方法领域，特别涉及一种高保真度双向流固耦合分析与非概率可靠性分析相结合的高超声速舵面结构优化设计方法。
技术介绍
高超声速舵面作为一种弹性结构，其在阵风载荷作用下表现出的动态响应特性是在气动力、惯性力和弹性力的相互影响下产生的，这种耦合效应在舵面结构的热气动弹性响应分析中不可忽视。针对这种气动弹性动力学问题的数值求解算法可分为两种：单向流固耦合方法和双向流固耦合方法。单向流固耦合分析是指先求解出整个分析过程中气动力的变化情况，然后将气动力加载到结构上计算结构的动态响应历程。这种方法忽略了结构变形对流场产生的影响。而双向流固耦合分析不仅要考虑气动力对结构产生的影响，同时还要考虑结构变形反过来对气动力产生的影响。双向流固耦合分析方法还可进一步分为两类：强耦合分析方法和弱耦合分析方法。其中，强耦合气动弹性计算将计算结构力学和计算流体力学的控制方程分别写到独立模块中，但两类方程在一个可执行程序中进行求解，实现气动/结构耦合的精确数值分析。但是该方法自由度大，对气动结构理论要求较高，且在计算效率、应用条件等方面存在较大的局限。弱耦合气动弹性计算则是将计算结构力学和计算流体力学作为单学科可执行程序相互独立，通过编制结构软件技术实现跨学科的交互分析。该方法实现简便、计算高效，在工程实际中具有较大的优势。另一方面，在常规的优化设计过程中，通常结构使用环境、材料属性参数以及设计要求等均被视为确定性的。这样虽然在一定程度上简化了结构的设计过程，降低了工作量，然而忽略了不确定性因素所产生的影响，因此通过确定性设计方法得到的结果在实际使用过程中可能出现许多问题。随着不确定性结构分析技术的成熟，可靠性优化设计的概念逐渐替代了传统的确定性优化设计，成为未来工程设计的必然趋势。长期以来，概率可靠性模型和模糊可靠性模型在工程中处理不确定因素方面得到广泛应用，这两种模型分别采用概率论和模糊理论来描述不确定性。这两种可靠性模型的优势在工程应用中得到了体现，然而它们所表现出来的缺陷也是不同忽视的：两种模型都需要通过实验获得大量的实验数据以确定模型的概率分布和隶属函数；两种模型的计算量都很大；对概
率可靠性模型而言，对参数很敏感，分布函数选取的小误差可能导致可靠性分析出现大偏差；对模糊可靠性模型，主观性较强且理论不完善，导致计算结果不可靠，一定程度上限制了其在实际工程中的应用。由于工程结构系统中广泛存在随机、模糊、未知然而有界等多种不确定性信息，同时结构样本实验数据常常比较缺，因此以上两种模型往往不能很好地从概率的角度描述不确定性并度量系统的可靠程度。在工程实际中，相对精确统计数据，不确定性信息的不确定界限更容易确定，此时采用非概率可靠性模型将更加适用。非概率可靠性方法仅仅通过获取不确定参数界限而不需要深究不确定性内涵，便可完成结构安全性能的评判，对于未来不确定性结构分析与设计理念的更新，具有重要的促进作用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性优化设计方法，该方法考虑了气动加热对结构属性产生的影响以及流场与舵面结构之间的耦合作用，同时考虑了材料参数的不确定性对舵面结构设计的影响，在保证高可靠性的前提下得到了舵面的最优设计方案。本专利技术解决上述技术问题采用技术方案为：一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法，包括以下步骤：(1)选取舵面结构梁、框尺寸为优化设计变量，记为x＝(x1,x2,…,xn)。一般而言，梁、框的尺寸被限定在一定范围内，即xi∈[ximin,ximax],i＝1,…,n，ximin为第i个设计变量所能取到的最小值，ximax为第i个设计变量所能取到的最大值，一般依靠工程经验以及工程造价条件给定。设置初始设计变量，每一组设计变量对应一种设计方案。(2)考虑结构尺寸和材料属性的不确定性，结构尺寸xi(i＝1,…,n)、弹性模量E、密度ρ和泊松比υ相对中心值均存在一定的偏差，中心值分别记为Ec、ρc和υc，最大值和最小值可表示为：x‾i=(1+βxi)xicx‾i=(1-βxi)xic,(i=1,...,n)E‾=(1+βE)EcE‾=(1-βE)Ecρ‾=(1+βρ)ρcρ‾(1-βρ)ρcυ‾=(1+βυ)υcυ‾=(1+βυ)υc---(3)]]>其中，xi为xi的区间上下限、E为E的上下限，ρ为ρ的上下限，u为υ的上下限，βE、βρ、βu分别为xi、E、ρ、υ的偏差。通过区间不确定分析方法中的顶点法获取不确定区间输入参数的样本空间，样本点为各
输入参数上、下限的组合，样本点数为2n+3次。(3)将所选设计变量作为几何建模时的特征参数，当设计变量在给定范围内变化时，针对每个样本点均能实现舵面几何模型的参数化建立，蒙皮采用面建模，梁框采用实体建模。基于几何参数化模型，实现舵面有限元模型的自动建立，自动更新有限元网格划分、材料属性赋值和边界条件设置；同时根据舵面气动外形的变化，实现流场网格的自动划分。(4)根据热流数据进行高超声速舵面结构的热传导分析。(5)基于分析得到的舵面温度场进行舵面结构的热应力分析。(6)根据输入的阵风模型参数，编写Fluent软件的UDF文件。(7)利用Fluent软件对进行流场分析，并提取出流场与舵面结构交界面上的压强分布。(8)将流场与舵面结构交界面上的压强分布插值到舵面有限元模型蒙皮的结点上作为气动力输入，将步骤(5)所得到的热应力视为预应力，进行结构有限元分析，得到舵面结构在当前时刻下结构的变形情况，提取结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)。(9)判断当前时刻是否已经达到结束时间，即是否满足：t≥tend (4)若不满足，则根据当前时刻下舵面的变形情况，基于弹簧光顺法和局部网格重构法更新流场网格，然后时间步加1，转到步骤(7)进行下一时刻的流场分析；若满足，则认为本次热气动弹性分析已经结束，输出结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，并确定各响应历程中的最大值dmax,Fmax,Mmax。(10)重复步骤(4)～(9)，完成样本空间中所有样本点的热气动弹性分析，根据每个样本点对应的结构最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，确定最大位移dmax、最大约束力Fmax和最大约束力矩Mmax的区间范围(11)给定最大位移的许用范围最大约束力的许用范围和最大约束力矩的许用范围引入新型非概率可靠性指标，计算得到最大位移可靠度和最大约束力的可靠度和最大约束力矩的可靠度实现约束条件的非概率可靠性分析。(12)以机翼结构重量为优化目标，结构最大位移和最大约束力、约束力矩的可靠性为约束条件，通过常规单学科优化方法实现高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性优化设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)选取舵面结构梁、框尺寸为优化设计变量，记为x＝(x1,x2,…,xn)，梁、框的尺寸被限定在一定范围内，即xi∈[ximin,ximax],i＝1,…,n，ximin为第i个设计变量所能取到的最小值，ximax为第i个设计变量所能取到的最大值，设置初始设计变量，每一组设计变量对应一种设计方案；(2)通过区间不确定分析方法中的顶点法获取不确定区间输入参数的样本空间，该输入参数包括材料弹性模量、密度和泊松比；(3)针对样本空间中的样本点，实现舵面结构的几何参数化建模，并分别实现结构有限元网格和流场网格的自动划分；(4)根据热流数据进行高超声速舵面结构的热传导分析；(5)基于分析得到的舵面温度场进行舵面结构的热应力分析；(6)根据输入的阵风模型参数，编写Fluent软件的UDF文件；(7)利用Fluent软件对进行流场分析，并提取出流场与舵面结构交界面上的压强分布；(8)将流场与舵面结构交界面上的压强分布插值到舵面有限元模型蒙皮的结点上作为气动力输入，将步骤(5)所得到的热应力视为预应力，进行结构有限元分析，得到舵面结构在当前时刻下结构的变形情况，提取结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)；(9)判断当前时刻是否已经达到结束时间，即是否满足：t≥tend(1)若不满足，则根据当前时刻下舵面的变形情况，基于弹簧光顺法和局部网格重构法更新流场网格，然后时间步加1，转到步骤(7)进行下一时刻的流场分析；若满足，则认为本次热气动弹性分析已经结束，输出结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，并确定各响应历程中的最大值dmax,Fmax,Mmax；(10)重复步骤(4)～(9)，完成样本空间中所有样本点的热气动弹性分析，根据每个样本点对应的结构最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，确定最大位移dmax、最大约束力Fmax和最大约束力矩Mmax的区间范围(11)给定最大位移的许用范围最大约束力的许用范围和最大约束力矩的许用范围引入新型非概率可靠性指标，计算得到最大位移可靠度和最大约束力的可靠度和最大约束力矩的可靠度实现约束条件的非概率可靠性分析；(12)以机翼结构重量为优化目标，结构最大位移和最大约束力、约束力矩的可靠性为约束条件，通过常规单学科优化方法实现高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性优化设计。...

【技术特征摘要】
1.一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)选取舵面结构梁、框尺寸为优化设计变量，记为x＝(x1,x2,…,xn)，梁、框的尺寸被限定在一定范围内，即xi∈[ximin,ximax],i＝1,…,n，ximin为第i个设计变量所能取到的最小值，ximax为第i个设计变量所能取到的最大值，设置初始设计变量，每一组设计变量对应一种设计方案；(2)通过区间不确定分析方法中的顶点法获取不确定区间输入参数的样本空间，该输入参数包括材料弹性模量、密度和泊松比；(3)针对样本空间中的样本点，实现舵面结构的几何参数化建模，并分别实现结构有限元网格和流场网格的自动划分；(4)根据热流数据进行高超声速舵面结构的热传导分析；(5)基于分析得到的舵面温度场进行舵面结构的热应力分析；(6)根据输入的阵风模型参数，编写Fluent软件的UDF文件；(7)利用Fluent软件对进行流场分析，并提取出流场与舵面结构交界面上的压强分布；(8)将流场与舵面结构交界面上的压强分布插值到舵面有限元模型蒙皮的结点上作为气动力输入，将步骤(5)所得到的热应力视为预应力，进行结构有限元分析，得到舵面结构在当前时刻下结构的变形情况，提取结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)；(9)判断当前时刻是否已经达到结束时间，即是否满足：t≥tend(1)若不满足，则根据当前时刻下舵面的变形情况，基于弹簧光顺法和局部网格重构法更新流场网格，然后时间步加1，转到步骤(7)进行下一时刻的流场分析；若满足，则认为本次热气动弹性分析已经结束，输出结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，并确定各响应历程中的最大值dmax,Fmax,Mmax；(10)重复步骤(4)～(9)，完成样本空间中所有样本点的热气动弹性分析，根据每个样本点对应的结构最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，确定最
\t大位移dmax、最大约束力Fmax和最大约束力矩Mmax的区间范围(11)给定最大位移的许用范围最大约束力的许用范围和最大约束力矩的许用范围引入新型非概率可靠性指标，计算得...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽晟，邱志平，王晓军，陈贤佳，王冲，许孟辉，李云龙，胡永明，仇翯辰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11