[发明专利]一种热防护结构的一体化设计方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器结构优化设计技术领域，具体涉及一种热防护结构的一体化设计方法及装置。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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，u_e为单元位移矩阵，k_s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，x_e为单元相对密度，E_e(x_e)为弹性模量；按照下述公式确定所述第一约束条件：

K_su＝F_s；V(x)/V₀＝f；0≤x≤1

其中，K_s表示整体刚度矩阵，u表示整体位移矩阵，F_s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，k_c为在传热系数为单位1时的单元传热系数矩阵，T_e表示单元温度矩阵，k_e(x_e)表示传热系数，x_e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：

K_cT＝F_c；V(x)/V₀＝f；0≤x≤1

其中，K_c表示整体传热系数矩阵，T表示整体温度矩阵，F_c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：