一种受限区域集中力扩散结构及其设计方法技术

一种受限区域集中力扩散结构及其设计方法，属于航空航天连接结构领域。该受限区域集中力扩散结构的材料分布呈轴对称三角形，其特征为该结构对称轴上有材料分布，且结构对称轴单侧具有两条明显的条带状材料分布，且外侧的材料分布更为粗壮；受限区域集中力扩散结构具有自下而上呈现出多层级分叉的特征。本发明专利技术面向集中力扩散问题，提出典型构件考虑结构刚度集中力扩散和稳定性多功能优化设计，构建了结合拓扑—形状—尺寸多层次技术框架，提出一种受限区域集中力扩散结构，实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。

A Concentrated Force Diffusion Structure in Restricted Areas and Its Design Method

A concentrated force diffusion structure in a restricted area and its design method belong to the field of aerospace connection structure. The material distribution of the concentrated force diffusion structure in the confined area is an axisymmetric triangle, which is characterized by the material distribution on the symmetrical axis of the structure, and the material distribution on the one side of the symmetrical axis of the structure has two distinct strips, and the material distribution on the outer side is more robust. The concentrated force diffusion structure in the confined area has the characteristics of multi-level bifurcation from bottom to top. Aiming at the problem of centralized force diffusion, the multi-functional optimization design of typical components considering the centralized force diffusion and stability of structural stiffness is proposed. A multi-level technical framework combining topology-shape-size is constructed. A centralized force diffusion structure in restricted area is proposed to realize the force and moment decoupling diffusion of 1000-ton load in restricted space.

【技术实现步骤摘要】
一种受限区域集中力扩散结构及其设计方法
本专利技术涉及的是我国运载火箭连接结构，特别是针对承受千吨级捆绑集中力和轴压耦合作用、有特殊扩散效率要求而设计的受限区域集中力扩散结构，属于航空航天连接结构领域。
技术介绍
针对新一代运载火箭CZ-5采用了助推点火传力结构，即助推前捆绑结构，专利技术人提出运载火箭典型受限区域集中力扩散结构，用于实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。具体来说，运载火箭起飞时刻，千吨级载荷要通过助推前捆绑结构传递给直径5米的芯级结构，这就造成了大直径运载火箭千吨级集中力载荷扩散难题，对于受限区域集中力扩散结构的设计挑战是前所未有的。对于捆绑式火箭，芯级箭体在捆绑点附近承受巨大的集中力载荷，量级达到千吨级，且载荷作用点和芯级壳壁存在一定偏心，使得芯级壳体承受较大的附加弯矩。同时，芯级薄壁贮箱自身还承受内压，轴压、弯矩、剪力等载荷，如不采取合理的扩散措施，筒段处将产生较高的轴向压缩应力，此应力状态可能会导致薄壁结构提前屈曲，贮箱破坏。因此，在捆绑连接区域和箱体上必须设计特定的结构件来扩散所需传递的集中载荷，均匀化结构应力，削弱集中载荷对薄壁焊接贮箱的恶劣影响。目前采用传统放射短壳壁板来解决集中力扩散问题。放射短壳结构以均匀网格加筋为主，在靠近捆绑集中力的局部区域布置扩散接头和扇状放射斜肋来达到扩散效果。扩散捆绑接头一般采用锻件，与短壳壁板铆接在一起。
技术实现思路
针对现有技术存在问题，本专利技术面向集中力扩散问题，提出典型构件考虑结构刚度集中力扩散和稳定性多功能优化设计，构建了结合拓扑—形状—尺寸多层次技术框架，最终提出一种受限区域集中力扩散结构，实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种受限区域集中力扩散结构为轴对称倒三角形结构，其中部设有对称轴，对称轴两侧设有条带状肋条，在对称轴与条带状肋条之间设有自下而上的多层级分叉结构。集中力作用在扩散结构底端，在顶端分散均匀，应用于运载火箭捆绑结构。所述的受限区域集中力扩散结构的材料选用航天领域可焊性好的高强铝合金板材，为提高强度，板材做预拉伸处理。一种受限区域集中力扩散结构的设计方法，包括以下步骤：1)通过连续体结构拓扑优化方法，确定集中力扩散结构的最佳传力路径，确保结构基本刚度要求，提高集中力扩散效率，得到设计域内材料的主要分布形式，即该结构材料分布的初始设计。2)基于该初始设计，以连续体结构拓扑优化方法中的拓扑特征提取得到的模型为初始构型，进行形状优化设计，其目的在于降低结构最大Von-Mises应力，削弱结构应力集中，保证结构强度要求，通过形状优化获得清晰的满足强度要求的轴对称倒三角形结构。3)在步骤2)形状优化的基础上，考虑设计多个性能指标，给出最终确定的设计结构。根据步骤2)得到的结构设计以及考虑多个性能指标的参数优化设计确定多层级分叉特征及轴对称倒三角形结构特征，具体为：以清晰结构设计的主要特征尺寸为变量，实现结构的参数化建模。以集中力扩散效率为目标，以结构最大应力、重量和稳定性为约束，进行参数优化，获得最优设计尺寸参数，最终完成受限区域集中力扩散结构设计。所述的主要特征尺寸为对称轴和肋条尺寸。本专利技术的有益效果为：本专利技术能够实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。附图说明图1为受限区域集中力扩散结构示意图。图2为受限区域集中力扩散结构材料分布。图3为受限区域集中力扩散结构的最优设计。图4为最终设计方案的平板上端Y向应力分布。图中：1对称轴；2肋条；3多层级分叉结构。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术面向集中力扩散问题，提出典型构件考虑结构刚度集中力扩散和稳定性多功能优化设计，构建了结合拓扑—形状—尺寸多层次技术框架，最终提出一种受限区域集中力扩散结构，实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。一种受限区域集中力扩散结构的结构特征如下：1)受限区域集中力扩散结构的材料分布呈轴对称三角形，其特征为该结构对称轴上有材料分布，且结构对称轴1两侧具有两条明显的条带状材料分布，且外侧的材料分布更为“粗壮”；2)受限区域集中力扩散结构具有自下而上呈现出多层级分叉的特征，即对称轴1与条带状肋条2之间设有自下而上的多层级分叉结构3。基于运载火箭贮箱结构的集中力扩散问题，建立集中力扩散优化设计问题。优化几何模型宽600mm、高350mm、厚20mm，左右两端受对称约束(UX＝0、ROTY＝0、ROTZ＝0)，上端固支，下端仅限制法向位移(UY＝0)。平板下端中央部位120×20mm区域内承受200MPa的均匀压力。已知平板材料为铝合金，弹性模量E＝70GPa，泊松比v＝0.3，屈服极限为280MPa，密度为2.8×103kg/m3。所述的受限区域集中力扩散结构的材料分布，通过连续体结构拓扑优化方法和形状优化设计，获得清晰的材料分布，如图2所示。需要说明的是，采用4节点平面应力单元对整个结构进行网格离散，单元尺寸10mm。为了避免优化结果在交界面上出现大量的灰色单元，同时考虑工程实际的连接需要，在优化过程中我们冻结了设计域的最上部的两层单元，即高20mm处。基于拓扑优化、形状优化得到的材料分布，以结构的主要特征尺寸为变量，实现结构的参数化建模，考虑设计的多个性能指标，给出最终设计方案。需要说明的是，经过对结构各项几何参数进行设计灵敏度分析，获得影响结构响应的关键参数；所述参数优化设计中的目标函数为最小化平板上端的Y向最大应力；所述参数优化设计中的约束条件：(1)设计域内保留质量小于3.326kg；(2)最大Von-Mises应力小于280MPa。所述的参数优化设计，基于iSIGHT多学科优化平台集成有限元分析软件ABAQUS来求解上面定义的优化问题。该参数优化问题具有非凸，多峰的特性，单纯的依靠数学规划法进行求解往往收敛到局部最优解，为此，采用遗传算法进行求解。遗传算法使用概率搜索技术，能同时从空间中多个点开始搜索，不需要进行敏度分析，适用于多峰问题的优化，能够最大限度的逼近全局最优解。最终获得受限区域集中力扩散结构，如图3所示。最终设计方案的平板上端Y向应力分布如图4所示。以上所述实施例仅表达本专利技术的实施方式，但并不能因此而理解为对本专利技术专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种受限区域集中力扩散结构，其特征在于，所述的受限区域集中力扩散结构为轴对称倒三角形结构，其中部设有对称轴，对称轴两侧设有条带状肋条，在对称轴与条带状肋条之间设有自下而上的多层级分叉结构；集中力作用在扩散结构底端，在顶端分散均匀，应用于运载火箭捆绑结构。

【技术特征摘要】
1.一种受限区域集中力扩散结构，其特征在于，所述的受限区域集中力扩散结构为轴对称倒三角形结构，其中部设有对称轴，对称轴两侧设有条带状肋条，在对称轴与条带状肋条之间设有自下而上的多层级分叉结构；集中力作用在扩散结构底端，在顶端分散均匀，应用于运载火箭捆绑结构。2.根据权利要求1所述的一种受限区域集中力扩散结构，其特征在于，所述的受限区域集中力扩散结构的材料选用航天领域可焊性好的高强铝合金板材，且使用前板材做预拉伸处理。3.一种受限区域集中力扩散结构的设计方法，其特征在于以下步骤：1)通过连续体结构拓扑优化方法，确定集中力扩散结构的最佳传力路径，确保结构基本刚度要求，提高集中力扩散效率，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，程耿东，吴会强，张希，杜凯繁，郝鹏，王斌，石云峰，黄诚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21