一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法技术

本发明专利技术公开了一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，属于航空飞行器总体设计及多功能结构材料设计领域。本发明专利技术通过在微桁架夹芯结构中引入流道，并通过传热、传力耦合计算，实现温度及应力的多目标优化，最终设计满足设计工艺及设计边界的最轻前缘结构。本发明专利技术充分考虑实际工况下热力耦合问题，引入温度对强度影响，并考虑加工工艺边界条件，通过优化算法实现结构优化设计；该方法简单有效，可以通过较小的计算量实现优化设计，大大减少试验试错带来的时间和费用。

【技术实现步骤摘要】
一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法
本专利技术涉及一种可以用于含流道微桁架传热、承载多功能结构多目标优化设计的方法，属于航空飞行器总体设计及多功能结构材料设计领域；具体地说，是一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法。
技术介绍
为了满足复杂严酷的飞行环境，新型飞行器通常要求尽可能地减轻结构重量，并克服气动加热问题。因此轻质、耐高温/热防护、高强度、低密度的结构材料对于研制新型飞行器(尤其是重复使用的新型飞机和空天飞机)尤为关键。传统的飞行器结构设计思想将结构系统与功能系统分开考虑，即一部分材料用来满足对结构的强度、刚度等力学性能的要求，另一部分材料则用来满足隔热、隔振或电子屏蔽等要求。这不仅增加了飞行器的重量，更降低了其使用性能和可靠性。传统的结构构型及其结构设计与计算方法已难以满足新型飞行器对机体平台性能不断提高的苛刻需求，因此迫切需求突破原有的结构形式及设计方法，采用创新型的、综合考虑承载/热防护等性能需求的多功能结构。微桁架结构由于内部有较为充分的几何空间并且相互贯通，可有效实现换热、液压、燃油、气流通路等功能需求的系统载体，实现材料、结构与功能的完美结合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于微桁架多功能集成结构的传热、承载一体化机翼前缘多目标优化设计的方法。所述方法通过在微桁架夹芯结构中引入流道，并通过传热、传力耦合计算，实现温度及应力的多目标优化，最终设计满足设计工艺及设计边界的最轻前缘结构。本专利技术提出一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，对含流道微桁架结构传热和承载进行多功能一体化设计，具体步骤如下：(1)根据结构工况设计初始微桁架拓扑结构及结构优化前基本形状的周期性单胞；(2)通过有限元模型计算设计温度下流道壁面与流体之间的传热系数；(3)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构传热分析几何模型，并根据微桁架和壁面的形状特征给所述的传热分析几何模型划分网格；(4)根据工况特征赋予传热分析几何模型相应温度边界条件，设置微桁架材料传热属性；所述的材料传热属性包括微桁架材料的传热系数和比热容。(5)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构应力分析几何模型，设置微桁架材料相应的材料属性；所述的材料属性包括微桁架材料钛合金的塑性和热膨胀率。(6)根据工况特征赋予应力分析几何模型相应边界约束条件，将传热分析最终温度场作为应力分析初始温度分布输入；(7)建立优化模型，通过修改输入文件参数实现参数化建模，分别进行传热分析和应力分析，计算边界约束和目标值，通过优化软件进行优化。本专利技术的优点或有益效果在于：(1)本专利技术提出的基于传热和承载多物理场耦合分析的含流道微桁架夹芯结构多功能集成一体化优化设计方法，充分考虑实际工况下热力耦合问题，引入温度对强度影响，并考虑加工工艺边界条件，通过优化算法实现结构优化设计。(2)本专利技术通过在微桁架内部空间引入流道，通过燃油实现传热隔热，在实现燃油加热的同时，保证内部工作环境的稳定。该方法简单有效，可以通过较小的计算量实现优化设计，大大减少试验试错带来的时间和费用。附图说明图1为本专利技术提供的微桁架热力耦合优化分析方法流程图。图2A为含流道微桁架夹芯结构的机翼前缘结构示意图。图2B为含流道微桁架夹心结构的机翼前缘结构的周期性单胞结构示意图。图3为微桁架结构传热分析几何模型的热边界条件示意图。图4为钛合金材料强度与温度关系曲线。图5为微桁架结构应力分析边界条件示意图。图6为结构优化模型的优化方法示意图。图7A和图7B为优化前后的周期性单胞结构对比。图中：1.上壁面；2.下壁面；3.流道壁面；4.夹心结构；401.第一层金字塔构型；402.第二层金字塔构型；403.第三层金字塔构型。具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提供一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，下面以微桁架夹芯结构机翼前缘的传热、承载多功能集成结构优化设计为例进行说明。本实例的整体方法流程如图1所示，下面结合实施例对各步骤作如下具体说明：(1)根据结构工况设计初始微桁架拓扑结构及结构优化前基本形状的周期性单胞。具体为：本实例以微桁架夹芯结构为基础，结合设计要求及工况进行结构设计。如图2A和2B所示，考虑到机翼前缘为曲面结构，本实例中选用圆柱体作为微桁架杆件的基本结构形状，由于机翼前缘存在冲击风险，因此，如果以燃油为介质的流道布置在上壁面会存在较大的风险，为了安全考虑将流道布置到夹芯结构下壁面，流道选用承载性能较好的三角形截面构型，微桁架选用金字塔形构型，如图2A和图2B所示，所述的机翼前缘由若干个矩阵形式排列的周期性单胞一体化成型构成，根据结构对称性选出一个周期性单胞进行说明，所述周期性单胞坐标系如图2B中所示，R、T、Z分别对应周期性单胞的径向、周向和轴向，所述的周期性单胞包括上壁面1、下壁面2、流道壁面3和夹心结构4，所述的下壁面2的两端向夹心结构4方向延伸两个流道壁面3，两个流道壁面3相交，与下壁面2形成一个截面为等腰三角形的三棱柱通道，作为冷却液的流道，在所述流道和上壁面1之间具有夹心结构4，所述的夹心结构4呈多层金字塔构型，每个金字塔构型由四个微桁架杆件组成，第一层金字塔构型401底面朝上，并且四个微桁架杆件连接上壁面1；第一层金字塔构型401的尖顶与第二层金字塔构型402的尖顶相对接，第二层金字塔构型402和第三层金字塔构型403的底面相对接，依次连接多层金字塔构型，最后一层金字塔构型的尖顶位于两个流道壁面3交线的中间。所述的所述上壁面1厚度和下壁面2的厚度相等，均为0.3mm，微桁架杆件采用基本圆柱体，圆柱体的直径为0.3mm。所述的上壁面1和下壁面2均为曲面结构，并且所述上壁面1的曲率大于下壁面2的曲率。(2)通过有限元模型计算设计温度下，流道壁面3与流体之间的传热系数。具体为：通过fluent建立流道及流道内流体模型，赋予流道内流体即燃油的热学、流动属性(密度、导热系数、比热容和动力粘性系数)，设置流道出入口及壁面边界条件，入口为恒定流速边界条件，出口为自由发展边界条件，流道壁面为无滑移边界条件，入口燃油温度为293K，流道壁面温度设置不同的温度。通过流体热力耦合方法计算流道壁面与燃油在固定流速下的传热系数，通过计算发现传热系数与温度无关，此处流体速度选为0.3m/s。计算得到传热系数为1210W/m2K。所述流道壁面是指三棱柱形流道的三个内表面。(3)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构传热分析几何模型，并根据形状特征给所述的传热分析几何模型划分网格。具体为：选用abaqus进行建模，考虑到传热分析过程中不会发生变形，此外，壁面及微桁架其他方向尺寸远小于长度方向(径向)尺寸，为了简单计算及优化过程中参数化建模简便性，壁面和微桁架分别选用壳单元和桁架单元进行建模，然后结合所述壁面和微桁架的几何特点进行网格划分。传热分析有限元几何模型和热边界条件如图3所示，实施例所示的几何模型包括上表面、下表面和两个流道壁面，以及中间夹心架构的十二个微桁架杆件。热边界包括上壁面513K温度边界，热边界还包括下壁面和两个流道壁面。(4)根据工况特征赋予传热分析几何模型相应温度边界条件，设置微桁架材料传热属性。具体为：在abaqus中建立稳态传热分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，其特征在于：具体步骤如下，(1)根据结构工况设计初始微桁架拓扑结构及结构优化前基本形状的周期性单胞；(2)通过有限元模型计算设计温度下流道的壁面与流体之间的传热系数；(3)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构传热分析几何模型，并根据微桁架和壁面的形状特征给所述的传热分析几何模型划分网格；(4)根据工况特征赋予传热分析几何模型相应温度边界条件，设置微桁架材料传热属性；所述的材料传热属性包括微桁架材料的传热系数和比热容；(5)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构应力分析几何模型，设置微桁架材料相应的材料属性；所述的材料属性包括微桁架材料钛合金的塑性和热膨胀率；(6)根据工况特征赋予应力分析几何模型相应边界约束条件，将传热分析最终温度场作为应力分析初始温度分布输入；(7)建立优化模型，通过修改输入文件参数实现参数化建模，分别进行传热分析和应力分析，计算边界约束和目标值，通过优化软件进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，其特征在于：具体步骤如下，(1)根据结构工况设计初始微桁架拓扑结构及结构优化前基本形状的周期性单胞；(2)通过有限元模型计算设计温度下流道的壁面与流体之间的传热系数；(3)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构传热分析几何模型，并根据微桁架和壁面的形状特征给所述的传热分析几何模型划分网格；(4)根据工况特征赋予传热分析几何模型相应温度边界条件，设置微桁架材料传热属性；所述的材料传热属性包括微桁架材料的传热系数和比热容；(5)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构应力分析几何模型，设置微桁架材料相应的材料属性；所述的材料属性包括微桁架材料钛合金的塑性和热膨胀率；(6)根据工况特征赋予应力分析几何模型相应边界约束条件，将传热分析最终温度场作为应力分析初始温度分布输入；(7)建立优化模型，通过修改输入文件参数实现参数化建模，分别进行传热分析和应力分析，计算边界约束和目标值，通过优化软件进行优化。2.根据权利要求1所述的一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述的微桁架拓扑结构用于机翼前缘，选用圆柱体作为微桁架杆件的基本结构形状，由若干个矩阵形式排列的周期性单胞一体化成型构成，所述的周期性单胞包括上壁面、下壁面、流道壁面和夹心结构，所述的下壁面的两端向夹心结构方向延伸两个流道壁面，两个流道壁面相交，与下壁面形成一个截面为等腰三角形的三棱柱通道，作为冷却液的流道，在所述流道和上壁面之间具有夹心结构，所述的夹心结构呈多层金字塔构型，每个金字塔构型由四个微桁架杆件组成。3.根据权利要求1所述的一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，其特征在于：步骤(2)具体为：通过fluent建立流道及流道内流体模型，赋予流道内流体即燃油的热学、流动属性，设置流道出入口及壁面边界条件，入口为恒定流速边界条件，出口为自由发展边界条件，流道壁面为无滑移边界条件，入口燃油温度为293K，流道壁面温度设置不同的温度；通过流体热力耦合方法计算流道壁面与燃油在固定流速下的传热系数。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：关志东，王晓东，王垚，黎增山，苏亚东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，中国航空工业集团公司，中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11