[发明专利]一种基于全因子试验的组合簧片式空间可展结构优化设计方法

说明书

一种基于全因子试验的组合簧片式空间可展结构优化设计方法，建立组合簧片式空间可展结构的几何模型；建立组合簧片式空间可展结构的有限元模型；基于Abaqus软件进行非线性有限元分析，得到结构的应变能和最大应力；建立保证结构驱动性能下结构最大应力最小的优化模型；基于响应面方法，构造目标函数和约束函数的响应面，实现约束和目标函数的显式化，并对拟合精度进行检验；采用遗传算法进行求解，得到最优结果。本方法大大简化了结构的非线性有限元分析过程，采用全因子实验设计方法构造目标函数和约束函数的响应面模型，实现了准确的分析和快速的优化，缩短了结构设计周期，提高了工作效率，节省了设计成本。

技术领域

本发明涉及新型组合簧片式空间可展结构最优尺寸的选定，适用于航空航天飞行器中空间可展结构。

背景技术

空间可展结构是航空航天飞行器中的关键部件，其能否顺利展开将直接关系到航空航飞行器的运行性能和飞行任务的成败。随着航天科技的发展而诞生了一种新型组合簧片式空间可展结构，其工作过程为：可展结构在地面实施弯曲过程，以储存应变能；入轨后，由地面控制系统发出指令解除结构螺栓约束，使结构依靠自身储备的应变能实现自我展开；展开动作完成后，结构又依靠自身刚度进行自我锁定，保持展开的工作状态。

组合簧片式空间可展结构相比于传统的空间展开结构有质量轻、结构简单、展开可靠性高等明显优势。其原因在于组合簧片式空间可展结构中的簧片是一种单层开口柱面壳，簧片弯曲时储存的应变能提供了自动驱动的动力；簧片弯曲过程中的屈曲性能使得屈曲临界弯矩远大于驱动弯矩，这个高数值的临界弯矩足以抵抗外界干扰，为展开结构提供了锁定能力，保证不会发生较大变形。

响应面方法最初是由Box和Wilson提出的，是一种常用的工程优化算法，是用于建立响应与多个变量之间函数关系的。在优化设计中，需要通过合理的试验设计方法来解决如何建立目标、约束与设计变量之间的近似函数。

y＝f(x)

其中y,f(x)为待构造的响应面函数。

常用的实验设计方法包括全因子设计、部分因子设计、中心复合设计等，其中全因子设计是最精确的试验设计方法。在设计变量的设计区间进行均匀分层，由此设计空间被均匀分为若干个子区间，每个子区域的交界处顶点即为试验样本点。

针对于组合簧片式空间可展结构，深入分析和研究组合簧片式空间可展结构的力学性能，将响应面方法和全因子试验设计引入其中，并对主要功能参数进行优化设计。在满足可展结构驱动性能的前提下，降低结构的许用应力对于结构的安全至关重要，因此一种基于全因子试验的组合簧片式空间可展结构优化设计方法的研究具有十分重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种基于全因子试验的组合簧片式空间可展结构优化设计方法，该方法简化了组合簧片式空间可展结构参数选优问题的处理过程。采用全因子试验设计方法建立响应面模型，通过优化算法求解得到最优参数，缩短了组合簧片式空间可展结构的设计周期，提高了工作效率，节省了设计成本。

本发明的技术解决方案：一种基于全因子试验的组合簧片式空间可展结构优化设计，包括以下步骤：

第一步，建立组合簧片式空间可展结构的几何模型；

第二步，建立组合簧片式空间可展结构的有限元模型，包括：网格划分、施加约束和加载方式采用，网格单元类型选择S4R5壳单元，该单元适用于分析大位移小应变问题；

第三步，基于Abaqus软件进行非线性有限元分析，得到结构的应变能和最大应力；

第四步，以簧片厚度、截面圆心角为设计变量，建立保证结构驱动性能下结构最大应力最小的优化模型；

所述的优化模型如下：