[發(fā)明專利]一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410015454.6
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103823923B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王曉慧;樊思思
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：它包括以下幾個步驟:

步驟一：定義優(yōu)化問題P1，并提交到優(yōu)化工具準備進行優(yōu)化；

其中，優(yōu)化問題P1的定義包括對以下三個模塊的定義：設(shè)計變量P11，優(yōu)化目標P12和約束條件義P13，它們之間是相互并列的關(guān)系；

設(shè)計變量P11是指復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計過程中的各個設(shè)計變量，主要包括導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)要進行優(yōu)化設(shè)計的各部分尺寸及相對位置，其數(shù)學(xué)表達式如下：

X={x₁,x₂,x₃…x_n};

其中，X為設(shè)計變量組，由復(fù)數(shù)個變量組成：x_i（i=1…n）的具體物理含義根據(jù)不同的導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計任務(wù)而不同，例如：x₁為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓個數(shù)，整型變量；x₂為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓的直徑，整型變量，單位為mm；x₃為導(dǎo)彈艙段薄壁區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm；x₄為艙段連接區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm；具體使用時設(shè)計變量不限于以上幾種形式；

優(yōu)化目標P12是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化目標，也就是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量最小，其數(shù)學(xué)表達如下：

Min(W);

W為導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，單位為kg，如果推廣到其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計做不同定義，例如導(dǎo)彈的射程最遠；

約束條件P13是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的約束條件，分別從結(jié)構(gòu)強度和剛度的角度出發(fā)，強度滿足結(jié)構(gòu)材料的性能，剛度滿足艙段不發(fā)生脫節(jié)；分別以結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力，艙段間沿軸向的錯位位移小于特定值作為約束；數(shù)學(xué)表達式如下：

S=(s₁…s_m,dis₁…dis_k)

其中，S為約束條件，由兩部分組成：s₁…s_m為強度約束，分別對應(yīng)導(dǎo)彈各個部分的最大應(yīng)力小于該部分對應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力；dis₁…dis_k為剛度約束，對應(yīng)不同艙段間在連接處沿軸向發(fā)生的錯位小于特定值；各約束具體取值與結(jié)構(gòu)材料和承載情況有關(guān)；

步驟二：定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2，提交到優(yōu)化工具，作為優(yōu)化過程中調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的準備；

定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2是對設(shè)計對象進行結(jié)構(gòu)仿真分析和提取分析結(jié)果中優(yōu)化所需的信息，包括對以下6個部分的定義：幾何外形P21，外載條件P22，結(jié)構(gòu)材料P23，單元屬性P24，分析求解P25，結(jié)果處理P26；它們之間的相互關(guān)系是彼此并列的；

幾何外形P21實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)外形的仿真，建立導(dǎo)彈幾何結(jié)構(gòu)模型；包括：導(dǎo)彈各部分的具體尺寸及彼此間的相對位置；例如：導(dǎo)彈艙段的外徑，單位為m，取值范圍0.6m～1.4m；導(dǎo)彈艙段的長度單位為m，取值范圍0.4m～1.2m；為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓個數(shù)，整型變量；導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓的直徑為x₂，整型變量，單位為mm；導(dǎo)彈艙段薄壁區(qū)域的厚度為x₃，浮點型變量，單位為mm；艙段連接區(qū)域的厚度為x₄，浮點型變量，單位為mm；從示例中看出以上仿真建模過程中會涉及部分尺寸為設(shè)計變量，故將建模過程中設(shè)計變量以如下形式定義：

x₁=[x₁],x₂=[x₂],x₃=[x₃],x₄=[x₄]…

新的設(shè)計方案會將各變量新的數(shù)值賦值于[*]，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何模型的自動化更改過程；

外載條件P22實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承受載荷的定義，包括：位移限制和載荷施加；位移限制導(dǎo)彈的固定方式；載荷施加包括導(dǎo)彈承受的軸向拉壓，徑向剪切，垂直于軸向的彎矩以及其他形式的載荷；根據(jù)要優(yōu)化導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)進行載荷數(shù)值的設(shè)定；

結(jié)構(gòu)材料P23實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)材料屬性的定義，包括艙段各部分的材料定義；其中材料定義是指定結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，泊松比，密度參數(shù)；例如：艙段選用同種或不同種材料，材料有鋁合金，鎂合金以及復(fù)合材料；連接螺栓選用45號鋼或其他合金鋼；

單元屬性P24實現(xiàn)對仿真結(jié)構(gòu)模型單元的定義，包括結(jié)構(gòu)仿真模型各部分的單元定義；例如：艙段薄壁區(qū)域選用殼單元，連接區(qū)域選用體單元，連接螺栓選用體單元，并將所有體單元定義為接觸體，考慮彼此間接觸作用；

分析求解P25實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在定義環(huán)境下響應(yīng)的求解；選用求解器對整體結(jié)構(gòu)進行非線性接觸分析，其中，求解器選用現(xiàn)有成熟軟件；

結(jié)果處理P26實現(xiàn)對分析結(jié)果進行處理，選取優(yōu)化過程中關(guān)心的響應(yīng)；在結(jié)構(gòu)分析完畢后，求解器會輸出結(jié)構(gòu)每個單元的質(zhì)量信息，應(yīng)力信息與位移信息，從中組合得到結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，結(jié)構(gòu)各部分最大應(yīng)力，各艙段間在連接處沿軸向發(fā)生的錯位位移；具體數(shù)學(xué)表達如下：

W=∑w_i;

s₁=max(s₁i)…s_m=max(s_mi);

dis₁=max(dis₂i-dis₁i)…dis_k=max(dis_k+1i-dis_ki)

其中，w_i為結(jié)構(gòu)各單元質(zhì)量，s₁i…s_mi分別為艙段各部分每個單元的應(yīng)力值，dis₁i,dis₂i,dis_ki,dis_k+1i分別為相連接的艙段位于通孔中心線上的單元的位移信息；

步驟三：制定試驗方案表

試驗方案表是根據(jù)拉丁超立方試驗設(shè)計方法針對n個設(shè)計變量在取值范圍內(nèi)制定的，實現(xiàn)對全局區(qū)域的樣本點均布；樣本點的個數(shù)一般為n～n³，樣本點越多，優(yōu)化效果越好，但相應(yīng)的計算效率也會越低；其中，拉丁超立方試驗設(shè)計是一種快速高效的試驗設(shè)計方法，是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)科中的一門成熟技術(shù)；

步驟四：優(yōu)化工具在全局搜索過程P3中根據(jù)試驗方案表依次對表中樣本點方案進行結(jié)構(gòu)分析，整理對比所有樣本點結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標志，存儲供后續(xù)步驟使用；

全局搜索過程P3以試驗方案表為參考，將每個樣本點方案使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；依次執(zhí)行每一個樣本點，完成所有樣本點的結(jié)構(gòu)分析并存儲結(jié)果,選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標志，存儲供局部鎖定過程P4使用；

步驟五：優(yōu)化工具以得到的最優(yōu)局部區(qū)域標志作為初始點進行SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計方案；

其中，SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法是一種針對非線性問題的數(shù)學(xué)求解方法，首先將最優(yōu)局部區(qū)域標志使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；優(yōu)化工具根據(jù)SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法對反饋進行分析給出新一組設(shè)計方案，再次使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2處理，處理結(jié)束后再將相應(yīng)方案反饋返回；重復(fù)以上過程，直到該過程滿足收斂條件，則優(yōu)化系統(tǒng)完成工作，確定最終一組設(shè)計方案為最優(yōu)設(shè)計方案；其中，收斂條件是指兩組設(shè)計方案的目標值差異在精度范圍內(nèi)，精度一般選用0.1%～10%，精度越高，優(yōu)化效果越好，但相應(yīng)地會延長系統(tǒng)工作時間。