[发明专利]一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明的优点或有益效果在于：

(1)本发明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)本发明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为本发明提供的微桁架热力耦合优化分析方法流程图。