一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，其步骤如下：(1)选取导热系数、密度及比热容作为不确定参数，实现各不确定参数的区间表达；(2)提取各层厚度和不确定参数为特征参数，实现全参数化建模、分析及求解；(3)考虑不确定参数相关性，提出相关性因子随机抽样方法，选取试验样本；(4)根据样本构建近似模型，分析不确定参数对响应的影响并优选，建立多层结构温度场不确定性分析方法；(5)分别以各层厚度、各层温度小于许用值、质量最小化为设计变量、约束条件和目标函数构建优化模型，实现多层热防护系统非概率优化设计。本发明专利技术通过高效不确定性分析和优化，提升了热防护系统结构效率。

A non probabilistic uncertainty analysis and optimization design method for multilayer thermal protection system based on experimental design

The invention discloses a multilayer thermal protection system design based on non probabilistic uncertainty analysis and optimization design method, the steps are as follows: (1) selection of thermal conductivity, density and heat capacity as uncertain parameters, realize the interval uncertain parameters expression; (2) extracting the thickness of each layer and uncertain parameters to achieve full feature parameters, parametric modeling, analysis and solution; (3) considering the uncertain parameter correlation, correlation factor of random sampling method, selection of test samples; (4) according to the sample analysis of the approximation model, the uncertain parameters on the response and optimization, the establishment of the temperature field of multilayer structure uncertainty analysis method (5) respectively; the thickness of each layer, each layer temperature is less than the allowable value, the quality is minimized as the design variables, constraints and objective function of the optimization model is constructed, the multi-layer thermal protection system Unified non probabilistic optimization design. The invention improves the structural efficiency of the thermal protection system through efficient uncertainty analysis and optimization.

【技术实现步骤摘要】
一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法
本专利技术涉及多层热防护系统优化设计领域，特别涉及一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法。
技术介绍
高超声速飞行器因其飞行速度快、反应时间短、作战半径大、隐蔽性好、突防能力强等优点在未来战争空、天主战场中地位卓然，已成为当今世界大国军备竞赛中争相抢占的制高点。高超声速飞行器长期服役于以气动热、力为主导的多场耦合极端环境下，热防护技术已成为直接制约其发展的瓶颈。为保证飞行员安全和机载设备正常运转，需在飞行器表面大面积铺设热防护结构，加之飞行器对结构重量的敏感性，热防护系统从诞生之日就面临急迫的安全性问题和结构减重问题。因此，基于热防护结构开展低成本、高可靠性、高防隔热性能的优化设计技术研究对于高性能高超声速飞行器研制意义重大。高超声速飞行器热防护系统多呈现典型的多层结构，即多层热防护系统。多层热防护系统的热分析涉及严酷气动热载、多层结构与多传热方式耦合下的复杂传热机理。飞行器服役过程中，首选是结构受到的气动热载荷表现为随时间高度非线性变化；其次，在结构内部热传导、热辐射和热对流三种传热机制同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤(1)、根据热防护系统真实服役环境决定的性能与构型需求，多层热防护系统由n层不同功能的不同材料结构组成；考虑到材料导热系数、密度和比热容等热物性参数均会随温度变化，各热物性参数随温度变化的材料属性曲线需通过一系列特定温度对应的热物性参数值插值拟合得到，记各层导热系数、密度和比热容分别为k

【技术特征摘要】
1.一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤(1)、根据热防护系统真实服役环境决定的性能与构型需求，多层热防护系统由n层不同功能的不同材料结构组成；考虑到材料导热系数、密度和比热容等热物性参数均会随温度变化，各热物性参数随温度变化的材料属性曲线需通过一系列特定温度对应的热物性参数值插值拟合得到，记各层导热系数、密度和比热容分别为kij，ρij和cij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，其中，i和j为变量编号，n为多层热防护结构总层数，m为选取特定温度的数量，导热系数、密度、比热容对应的特定温度分别记为和步骤(2)、考虑各层材料热物性参数由于材料分散性、测量误差等导致的各种不确定性，选取步骤(1)中kij、ρij和cij作为不确定参数；根据工程试验获得各不确定参数分布规律，得到各不确定参数的分布范围，并用区间形式量化为kij∈[kij_min,kij_max]，ρij∈[ρij_min,ρij_max]和cij∈[cij_min,cij_max]，其中kij_min，ρij_min和cij_min分别为各参数分布范围最小值，kij_max，ρij_max和cij_max分别为各参数分布范围最大值；步骤(3)、选取步骤(1)中的各层厚度作为设计变量，记为X，X＝(x1,x2,…,xn)，n为步骤(1)中所涉及的多层热防护结构层数；各厚度被限定在给定范围内，即xi∈[xi_min,xi_max]，i＝1,2,…,n，其中xi_min为给定xi范围的最小值，xi_max为给定xi范围的最大值，一般依靠工程经验以及工程造价条件给定；步骤(4)、在几何建模过程中，提取各设计变量作为控制三维几何模型的设计特征参数，当各设计变量在各自给定范围内任意改变时，能够实现几何自动建模，从而完成基于所选设计变量的几何参数化建模；步骤(5)、在几何模型的基础上，通过有限元软件的二次开发功能，提取各不确定参数作为控制有限元模型材料热物性属性的不确定性特征参数，当各不确定参数在各自分布范围内任意改变时，能够实现有限元模型材料热物性属性的自动赋值，从而建立基于设计特征参数和不确定性特征参数的多层热防护结构参数化有限元模型；步骤(6)、基于再入过程弹道数据，采用辐射、对流及传导多种传热方式复合的传热分析方法，考虑气动热与结构传热之间的相互影响，实现全弹道过程的多层热防护系统瞬态温度场分析求解，得到多层热防护结构各层界面随时间变化的温度历程Ts(t)，提取各层界面处的最高温度作为响应输出，记为s＝0,1,…,n，其中s从0增至n指多层热防护结构从外表面至内表面所有层的界面；步骤(7)、考虑确定性条件下各热物性参数所呈现的随温度变化的规律作为抽样约束，通过数据分析处理软件编制抽样算法，相较于传统完全随机抽样方法，实现考虑约束条件的随机抽样过程，是为相关性因子随机抽样方法；基于此方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志平，蒋文婷，王晓军，王睿星，王磊，石庆贺，朱静静，
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