[发明专利]一种基于数字样机的高速飞行器结构强度设计方法和流程

说明书

本发明公开了一种基于数字样机的高速飞行器结构强度设计方法和流程。该方法和流程基于多物理场高效建模技术、多物理场数据转换及耦合分析技术，结合多学科的结构强度综合优化策略、多学科代理模型及误差评定方法，以及多学科优化求解技术，根据高速飞行器结构强度设计的工程实践要求，构建面向高速飞行器的工具集成和数据集成的结构强度综合优化设计流程。本发明在高速飞行器设计过程中，实现了参数化驱动条件下的高速飞行器结构强度高效并行协同优化，可实现结构有效减重和研制效率提高，确保设计过程的安全性和经济性。

技术领域

本发明涉及高速飞行器结构强度设计技术领域，特别涉及采用基于数字样机的仿真设计方法和流程。该方法和流程通过搭建面向商业软件的仿真环境，实现多物理场高效建模和耦合分析，基于高速飞行器结构强度综合优化设计流程，采用多学科优化求解技术，可实现结构有效减重和研制效率提高，确保设计过程的安全性和经济性。

背景技术

与传统飞行器基于单独子系统级建模仿真不同，高速飞行器的飞行轨迹从曲线转变为空间，是涉及到力、热、磁等多种物理现象的复杂大系统，飞行试验过程普遍具有多学科强耦合、强非线性、不确定性等综合复杂性。考虑多物理场耦合因素的功能数字样机的仿真实现，涉及全系统的控制、飞行包线设计、飞行器运动学、气动流场(力、热环境)、热载荷、结构强度应力场、电磁场等学科和物理场的耦合动态特性仿真。

基于数字样机的高速飞行器结构强度设计方法和流程对推动新一代高速飞行器的发展具有特别重要的现实意义。在高速飞行器设计阶段采用数字化样机技术，在飞机设计流程上实现气动热仿真、热强度仿真分析、热气弹分析、电磁场分析等多个物理场的耦合仿真，可在系统层级对结构进行全面的强度设计，并明确地指导各项研发性和验证性试验，能够有效地减少试验数量并缩短试验周期。基于多功能数字样机的结构强度设计及仿真环境的应用，亦为实现快速多学科、多目标的优化奠定基础，能够高效地提出满足总体及系统需求的结构设计方案，在总体、系统及结构的综合优化设计过程中减少迭代周期。同时，以数据库管理的方式对数字样机进行状态管理和控制，通过仿真、试验、试飞数据下的数据综合，能够全方位保证飞行安全和电磁特性。

随着高速飞行器在使用包线和结构系数上的更高要求，需要仿真分析在设计方法和设计流程上进行面向工程的整合和集成，在全设计流程中进行优化设计，以期取得最优解。在这种设计需求下，为适用工程应用需要，采用适当的物理场解耦方法，依托商业软件构成底层能力，通过数字样机和映射协议等方式驱动多物理场下仿真模型的联系与联动，实现高速飞行器结构强度综合优化。目前，对于仅采用商业软件缺乏实现高速飞机全机级和部件级多物理场耦合分析及优化的手段，采用人工方式实现多学科优化效率低下且难以控制流程质量，在面向复杂大系统的仿真环境上的工程实际应用还是空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用现有仿真分析工具，构建一种基于数字样机的高速飞行器结构强度设计方法和流程。通过多物理场高效建模技术、多物理场数据转换及耦合分析技术，结合多学科的结构强度综合优化策略、多学科代理模型及误差评定方法，以及多学科优化求解技术，根据高速飞行器结构强度设计的工程实践要求，构建面向高速飞行器的工具集成和数据集成的结构强度综合优化设计流程，实现结构有效减重和研制效率提高。

本发明采用的技术方案为：一种基于数字样机的高速飞行器结构强度设计方法和流程，实现步骤如下：

步骤一：根据高速飞行器强度设计多物理场分析需求，建立面向工程实现的高速飞行器结构强度设计流程，根据总体设计要求，基于不同阶段仿真模块的运行，实现不同物理场的输入输出交互，实现面向总体设计指标的飞行器运动学、气动流场、结构强度应力场、热载荷以及动力学学科和物理场的耦合动态特性仿真，具体包括：

根据其飞行包线和外形设计，仿真分析获得热载荷及气动载荷，进行气动热分析，获取的热载荷和气动载荷是后续热防护系统设计与分析、热结构完整性评估的基础输入条件；

根据气动热分析结果和热防护知识库开展热防护设计，并与气动热分析构成迭代流程；