一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及飛行器防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法包括如下步驟：選取防熱結(jié)構(gòu)中絕熱材料層總厚度尺寸L為設(shè)計(jì)變量；選取防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍建立約束條件；以防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)；采用有限元計(jì)算防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度，把內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度與約束條件進(jìn)行比較；如果不滿足要求，則返回步驟一，對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，并重復(fù)步驟一至步驟四，直到滿足要求。本發(fā)明的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法能夠?qū)Ψ罒峤Y(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步降低防熱結(jié)構(gòu)厚度對飛行器總體性能的影響。
【專利說明】
一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及飛行器防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，飛行器飛行速度越來越高，飛行器表面因氣動(dòng)加熱溫度也隨之上升；國內(nèi)外解決的方法主要是在飛行器外表面安裝防熱結(jié)構(gòu)，其中，防熱結(jié)構(gòu)可以包括上下面板以及位于上下面板之間的陶瓷材料層、隔熱材料層、粘合材料層等，并且上下面板之間的隔熱材料層的設(shè)置位置可以根據(jù)需要進(jìn)行適合的選擇。防熱結(jié)構(gòu)需要滿足熱防護(hù)、隔熱和結(jié)構(gòu)承載的需求，是高超聲速飛行器設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，它關(guān)系到飛行器的安全，其技術(shù)水平直接決定超聲速飛行器或?qū)椀任淦餮b備的水平。
[0003]防熱結(jié)構(gòu)通常是隔熱材料層厚度越大，熱防護(hù)能力越好;但是，厚度增加帶來的結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加大大降低了飛行器的總體性能；而目前在采用商用程序(ANSYS、NASTAN、ABAQUS、HAJIF)結(jié)構(gòu)分析防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對防熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸沒有進(jìn)行熱分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，無法降低防熱結(jié)構(gòu)厚度對飛行器總體性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供了一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，以解決現(xiàn)有防熱結(jié)構(gòu)會(huì)影響飛行器總體性能的問題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]—種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一、選取防熱結(jié)構(gòu)中絕熱材料層總厚度尺寸L為設(shè)計(jì)變量；
[0008]步驟二、選取所述防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍作為約束，建立約束條件；
[0009]步驟三、以所述防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，建立如下目標(biāo)函數(shù):
[0010]W(l)=ffo+pSL；
[0011]其中，W(I)為所述防熱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量;Wo為不變質(zhì)量，指所述防熱結(jié)構(gòu)中不參與優(yōu)化部分質(zhì)量;P為絕熱材料層的材料密度;S為防熱結(jié)構(gòu)表面積;L為設(shè)計(jì)變量，即所述防熱結(jié)構(gòu)中需要進(jìn)行優(yōu)化的部分；
[0012]步驟四、采用有限元計(jì)算所述防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度，把所述內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度與約束條件進(jìn)行比較;如果不滿足要求，則返回步驟一，對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，并重復(fù)步驟一至步驟四，直到滿足要求。
[0013]優(yōu)選的，在所述步驟二中，所述防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍是:
[0014]Tlowlim < Ts < Tuplim；
[0015]其中，Tlciwlim和Tuplim分別為使用溫度的下限及上限；Ts為通過有限元計(jì)算得到的防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度。
[0016]優(yōu)選的，在所述步驟四中，是采用差分法對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。
[0017]優(yōu)選的，采用差分法對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，主要是對有限元模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修改，之后建立新的有限元模型進(jìn)行再次計(jì)算。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019]本發(fā)明的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，以絕熱材料層總厚度尺寸L為設(shè)計(jì)變量，以防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍作為約束條件，再以防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行熱分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步降低防熱結(jié)構(gòu)厚度對飛行器總體性能的影響。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法流程圖；
[0021]圖2是本發(fā)明防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的防熱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中防熱結(jié)構(gòu)熱物理參數(shù)輸入流程簡圖；
[0023]圖4是本發(fā)明防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中防熱結(jié)構(gòu)熱載荷參數(shù)輸入流程簡圖；
[0024]圖5是本發(fā)明防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中防熱結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化結(jié)果曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0027]下面結(jié)合附圖1至圖5對本發(fā)明的一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0028]本發(fā)明提供了一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0029]步驟一、選取防熱結(jié)構(gòu)中絕熱材料層總厚度尺寸L為設(shè)計(jì)變量。
[0030]在最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型中，設(shè)計(jì)變量是一組待定的未知數(shù)，它對應(yīng)于實(shí)際工程問題的一組特征主參數(shù)，它的任意一組確定的數(shù)值代表該工程問題的一個(gè)特定的設(shè)計(jì)方案。因此，在建立工程問題的數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)該首先選取那些能夠代表設(shè)計(jì)方案的主參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。本發(fā)明的方法中，是以防熱結(jié)構(gòu)的絕熱材料層總厚度尺寸L為設(shè)計(jì)變量L。
[0031 ]步驟二、選取防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍作為約束，建立約束條件。
[0032]任何設(shè)計(jì)問題都附帶大量的設(shè)計(jì)要求和限制條件，將這樣的要求和限制表示成設(shè)計(jì)變量X的函數(shù)hv(X)和gu(X)，進(jìn)而構(gòu)成如下的數(shù)學(xué)不等式或等式:
[0033]gu(X) < 0(u=l ,2,...,p)；
[0034]hv(X)=0(v=l,2,---,m)；
[0035]則這樣的一組表達(dá)式就稱為該設(shè)計(jì)問題的約束條件。
[0036]約束條件除有等式約束和不等式約束之分外，還可分為邊界約束和性能約束等。
[0037]邊界約束是對設(shè)計(jì)變量本身所加的直接限制，如下面的約束:
[0038]a1-Xi < O ；
[0039]X1-bi<0；
[0040]就限定了設(shè)計(jì)變量Xl的取值范圍為閉區(qū)間[mA]，因此屬于邊界約束。
[0041 ]在本發(fā)明的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍是:
[0042]Tlowlim < Ts < Tuplim；
[0043]其中，Tlciwlim和Tuplim分別為使用溫度的下限及上限；Ts為通過有限元計(jì)算得到的防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度。
[0044]步驟三、以防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，建立如下目標(biāo)函數(shù):
[0045]ff(l)=ff0+pSL；
[0046]其中，W(I)為所述防熱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量;Wo為不變質(zhì)量，指所述防熱結(jié)構(gòu)中不參與優(yōu)化部分質(zhì)量(例如外部涂層及膠層等)；P為絕熱材料層的材料密度;S為防熱結(jié)構(gòu)表面積;L為設(shè)計(jì)變量，即所述防熱結(jié)構(gòu)中需要進(jìn)行優(yōu)化的部分。
[0047]要尋求某一問題的最優(yōu)解，首先要有評(píng)判問題好壞的標(biāo)準(zhǔn)。在最優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型中，目標(biāo)函數(shù)就是衡量設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的定量標(biāo)準(zhǔn)。對于極小化問題，目標(biāo)函數(shù)的值越小對應(yīng)的設(shè)計(jì)方案越好。
[0048]本發(fā)明的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量占飛行器總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的相當(dāng)一部份比例，對飛行器的總體性能有明顯影響，因此，如上述步驟三所述的，本發(fā)明是以防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。
[0049]步驟四、由于目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量沒有明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系式，所以，采用有限元計(jì)算防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度，把內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度與約束條件進(jìn)行比較;如果不滿足要求(即內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度不在約束條件范圍內(nèi))，則返回步驟一，對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化(修改)，并重復(fù)步驟一至步驟四，直到滿足要求。
[0050]進(jìn)一步，在本發(fā)明的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，是采用差分法對設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化；當(dāng)前工況的參數(shù)輸入已經(jīng)完全確定了有限元模型，所謂優(yōu)化就是根據(jù)前一步計(jì)算結(jié)果進(jìn)行溫度判別，如果計(jì)算的溫度(當(dāng)前溫度)超出約束條件，則采用差分法修改設(shè)計(jì)變量;對于有限元模型來說，是修改節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，之后建立新的有限元模型進(jìn)行再次計(jì)笪并ο
[0051]具體地，本發(fā)明的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的步驟四又可以包括如下子步驟:
[0052]I)基本參數(shù)輸:
[0053]輸入防熱結(jié)構(gòu)面積S(mm2)、防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面最低溫度限制Ti?iim(K)、防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面最高溫度限制TupIim(K)、計(jì)算總時(shí)間長度(S)以及初始溫度Ts(K)。
[0054]2)參數(shù)化有限元模型的建立:
[0055]防熱結(jié)構(gòu)等效為一維傳熱，在單位面積意義下建立有限元模型要求，各層厚度參數(shù)化。
[0056]常見防熱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)最多為六層，最少為三層。所以，有限元模型為三到六層可以自動(dòng)選擇。同時(shí)隔熱材料層可根據(jù)需求設(shè)置在防熱結(jié)構(gòu)除上、下面板之外的任一位置;其中，如圖2所示，是隔熱材料層處于陶瓷材料層與粘合材料層之間的一個(gè)實(shí)施例。
[0057]3)熱物性參數(shù):
[0058]由于防熱結(jié)構(gòu)為受熱結(jié)構(gòu)，其熱物性參數(shù)隨溫度變化，所以要求包含隨溫度變化的參數(shù)輸入方法;如圖3所示，參數(shù)包括傳導(dǎo)率、比熱、密度、各材料層厚度、相變溫度等等。
[0059]4)熱載荷:
[0060]熱載荷包含溫度載荷與熱流載荷兩種，每一種又包含固定數(shù)值與隨溫度變化的曲線形式;如圖4所示，示出了防熱結(jié)構(gòu)熱載荷參數(shù)輸入流程。
[0061 ] 5)邊界條件:
[0062]受熱面選擇空間熱輻射邊界條件，內(nèi)壁面選擇自然對流邊界條件。
[0063]6)進(jìn)行首次有限元分析。
[0064]7)內(nèi)壁面溫度Ts的分析結(jié)果與約束條件進(jìn)行比較:
[0005]如果Ti?iim<Ts<Tupiim，則令L = L-A L，轉(zhuǎn)到I)重新自動(dòng)建立有限元模型進(jìn)行再次計(jì)算;如此反復(fù)，知道滿足約束條件為止。
[0066]8)計(jì)算每一步的結(jié)構(gòu)重量，并繪制曲線(如圖5所示)。
[0067]需要說明的是，在優(yōu)化實(shí)施過程中僅考慮熱傳導(dǎo)而不考慮內(nèi)部熱應(yīng)力，忽略內(nèi)部的緊固件對結(jié)構(gòu)的影響，簡化后的結(jié)構(gòu)模型成為二維層合模型。由于飛行器防熱結(jié)構(gòu)主要考慮其厚度方向的熱傳導(dǎo)，因此可進(jìn)一步將二維層合模型簡化為一維傳熱模型，因此，防熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是在一維傳熱模型下進(jìn)行的。
[0068]本發(fā)明的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，以絕熱材料層總厚度尺寸L為設(shè)計(jì)變量，以防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍作為約束條件，再以防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行熱分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步降低防熱結(jié)構(gòu)厚度對飛行器總體性能的影響。
[0069]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、選取防熱結(jié)構(gòu)中絕熱材料層總厚度尺寸L為設(shè)計(jì)變量； 步驟二、選取所述防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍作為約束，建立約束條件； 步驟三、以所述防熱結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，建立如下目標(biāo)函數(shù):ff(l)=ffo+PSL； 其中，W(I)為所述防熱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量;Wo為不變質(zhì)量，指所述防熱結(jié)構(gòu)中不參與優(yōu)化部分質(zhì)量;P為絕熱材料層的材料密度;S為防熱結(jié)構(gòu)表面積;L為設(shè)計(jì)變量，即所述防熱結(jié)構(gòu)中需要進(jìn)行優(yōu)化的部分； 步驟四、采用有限元計(jì)算所述防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度，把所述內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度與約束條件進(jìn)行比較;如果不滿足要求，則返回步驟一，對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，并重復(fù)步驟一至步驟四，直到滿足要求。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于，在所述步驟二中，所述防熱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度的預(yù)定變化范圍是: Tlowlim < Ts < Tuplim ； 其中，Tlciwlim和Tuplim分別為使用溫度的下限及上限;Ts為通過有限元計(jì)算得到的防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的當(dāng)前溫度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于，在所述步驟四中，是采用差分法對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的防熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于，采用差分法對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，主要是對有限元模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修改，之后建立新的有限元模型進(jìn)行再次計(jì)算。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105843996SQ201610156563
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】楊志斌, 秦強(qiáng), 邢靈格, 謝亮, 張肖肖
【申請人】中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所