[发明专利]一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法

摘要

本发明公开了一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法，本方法考虑了高超声速舵面热气动弹性设计中的不确定因素，根据顶点法来建立不确定输入参数的样本空间。考虑气动加热产生的热应力对舵面固有属性产生的影响，实现双向流固耦合方法来准确模拟舵面在阵风载荷作用下的动响应历程。在此基础上，引入可靠性指标，根据分析结果的上下界，对舵面结构进行可靠性分析。基于上述过程，可以以舵面结构重量为优化目标，以舵面最大位移及根部最大约束力、约束力矩的可靠性为约束条件，实现高超声速舵面的非概率气动弹性可靠性优化设计。本方法在保证高超声速舵面结构高可靠性的前提下，降低结构质量，为高超声速舵面的热气动弹性设计提供了一种新思路。

主权项

1.一种针对高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)选取舵面结构梁、框尺寸为优化设计变量，记为x＝(x1,x2,…,xn)，梁、框的尺寸被限定在一定范围内，即xi∈[ximin,ximax],i＝1,…,n，ximin为第i个设计变量所能取到的最小值，ximax为第i个设计变量所能取到的最大值，设置初始设计变量，每一组设计变量对应一种设计方案；(2)通过区间不确定分析方法中的顶点法获取不确定区间输入参数的样本空间，该输入参数包括材料弹性模量、密度和泊松比；(3)针对样本空间中的样本点，实现舵面结构的几何参数化建模，并分别实现结构有限元网格和流场网格的自动划分；(4)根据热流数据进行高超声速舵面结构的热传导分析；(5)基于分析得到的舵面温度场进行舵面结构的热应力分析；(6)根据输入的阵风模型参数，编写Fluent软件的UDF文件；(7)利用Fluent软件对舵面结构进行流场分析，并提取出流场与舵面结构交界面上的压强分布；(8)将流场与舵面结构交界面上的压强分布插值到舵面有限元模型蒙皮的结点上作为气动力输入，将步骤(5)所得到的热应力视为预应力，进行结构有限元分析，得到舵面结构在当前时刻下结构的变形情况，提取结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)；(9)判断当前时刻是否已经达到结束时间，即是否满足：t≥tend若不满足，则根据当前时刻下舵面的变形情况，基于弹簧光顺法和局部网格重构法更新流场网格，然后时间步增加1，转到步骤(7)进行下一时刻的流场分析；若满足，则认为本次热气动弹性分析已经结束，输出结构中最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，并确定各响应历程中的最大值dmax,Fmax,Mmax；(10)重复步骤(4)～(9)，完成样本空间中所有样本点的热气动弹性分析，根据每个样本点对应的结构最大位移d(t)、根部约束力F(t)和根部约束力矩M(t)的响应历程，确定最大位移d_max、最大约束力F_max和最大约束力矩M_max的区间范围(11)给定最大位移的许用范围最大约束力的许用范围和最大约束力矩的许用范围引入新型非概率可靠性指标，计算得到最大位移可靠度和最大约束力的可靠度和最大约束力矩的可靠度实现约束条件的非概率可靠性分析；(12)以机翼结构重量为优化目标，结构最大位移和最大约束力、最大约束力矩的可靠性为约束条件，通过常规单学科优化方法实现高超声速舵面的非概率热气动弹性可靠性优化设计。