[發明專利]一種導彈艙段徑向連接結構輕質化設計系統

有效

• 申請號: 201410015884.8
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103761378A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 王曉慧;樊思思
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種導彈艙段徑向連接結構輕質化設計系統，其特征在于：它包括優化定義模塊L1、全局搜索模塊L2、局部鎖定模塊L3和結構分析模塊L4四部分；優化定義模塊L1為整個優化系統的初始設定，貫穿整個系統的工作過程；全局搜索模塊L2和局部鎖定模塊L3為系統優化工作的兩個階段，全局搜索模塊L2實現在大范圍廣域上的一個粗略搜索；局部鎖定模塊L3是在全局搜索L2模塊的基礎上進一步沿梯度方向優化得到最優設計方案；結構分析模塊L4為系統優化過程中對于設計方案獲取結構分析反饋的手段；該四個模塊相互獨立，通過模塊間信息的交互實現每一模塊相應的功能，最終實現對導彈艙段徑向連接結構的優化設計；

所述優化定義模塊L1是對導彈艙段徑向連接結構優化設計問題的定義，包括設計變量定義模塊L11、優化目標定義模塊L12和約束條件定義模塊L13三部分；它們彼此之間是相互并列的關系；該設計變量定義模塊L11是對導彈艙段徑向連接結構優化過程中設計變量的定義，定義徑向螺栓的直徑和個數、兩個艙段連接部分的各寬度和厚度共9個變量為設計變量，數學表達如下：

X={n,d,t,h1,h2,a1,a2,a3,a4};

其中，X為設計變量組，由9個變量組成：n為螺栓個數，整型變量；d為螺栓直徑，整型變量，單位為mm，由螺栓直徑確定選用的螺栓規格，即確定螺栓的各個具體尺寸；t為艙段連接框A、B薄壁區域的厚度，浮點型變量，單位為mm；h1為艙段連接框A連接區域的厚度，浮點型變量，單位為mm；h2為艙段連接框B連接區域的厚度，浮點型變量，單位為mm；a1為艙段連接框A連接區域的寬度，浮點型變量，單位為mm；a2為艙段連接框A階梯過渡段寬度，浮點型變量，單位為mm；a3為艙段連接框B局部加厚區域的寬度，浮點型變量，單位為mm；a4為艙段連接框B端面到螺栓孔中心線的軸向距離，浮點型變量，單位為mm；各變量取值范圍與導彈艙段直徑、材料和承載情況有關，根據要優化的導彈艙段徑向連接結構進行各變量取值范圍的設定；該優化目標定義模塊L12是對導彈艙段徑向連接結構優化過程中優化目標的定義，定義導彈艙段徑向連接結構整體質量最小為優化目標；

數學表達式如下：Min(W)；

其中，W為導彈艙段徑向連接結構整體質量，單位為kg；

該約束條件定義模塊L13是對導彈艙段徑向連接結構優化過程中約束條件的定義，從結構強度和剛度的角度出發，強度滿足結構材料的性能，剛度滿足兩個艙段不發生脫節；分別定義結構最大應力小于結構材料的許用應力，艙段連接框A和艙段連接框B沿軸向的錯位位移小于特定值；數學表達式如下：S=(s1,s2,s3,dis)

其中，S為約束條件，由兩部分組成：s1,s2,s3為強度約束，分別對應艙段連接框A、艙段連接框B、螺栓的最大應力小于對應結構材料的許用應力；dis為剛度約束，對應艙段連接框A和艙段連接框B在連接處沿軸向發生的錯位小于特定值，各約束具體取值與結構材料和承載情況有關；

所述全局搜索模塊L2由優化工具構成；其中，優化工具的工作過程為：將初始設計方案提交到結構分析模塊L4進行結構分析，讀取分析結果判斷是否滿足優化終止條件，如滿足則優化結束，否則根據系統設定的更新方法給出新的設計方案，再次進行結構分析，不斷重復以上過程，直到滿足優化終止條件，其中更新方法和優化終止條件在不同模塊中不同；全局搜索模塊中的更新方法是依據試驗方案表的編排，優化終止條件是試驗方案是否完成；其中，試驗方案表是根據拉丁超立方試驗設計方法針對9個設計變量在取值范圍內制定的，實現對全局區域的樣本點均布；樣本點的個數一般為10^～200個，樣本點越多，優化效果越好，但相應的計算效率也會越低；所以全局搜索模塊L2的工作過程如下：以試驗方案表為參考，依次將每個樣本點方案提交到結構分析模塊L4，L4處理結束后將相應方案反饋返回；完成試驗方案表中所有樣本點的結構分析后，則試驗方案完成，優化工具對所有樣本點結果進行對比，選擇可行域內優化目標最小的樣本點作為最優局部區域標志，將其提交到局部鎖定模塊L3；

所述局部鎖定模塊L3同樣由優化工具構成，只是更新方法和優化終止條件和全局搜索模塊L2不同；局部鎖定過程中更新方法是依據SQP序列二次規劃梯度優化算法，其中，SQP序列二次規劃梯度優化算法是一種針對非線性問題的數學求解方法，優化終止條件是滿足收斂條件，其中，收斂條件是指兩組設計方案的目標值差異在精度范圍內，精度一般選用0.1%～10%，精度越高，優化效果越好，但相應地會延長系統工作時間；所以局部鎖定模塊L3的工作過程如下：首先將全局搜索模塊L2確定的最優局部區域標志提交到結構分析模塊L4，結構分析模塊L4處理結束后將相應方案反饋返回；優化工具根據SQP序列二次規劃梯度優化算法對反饋進行分析給出新一組設計方案，再次提交到結構分析模塊L4處理，結構分析模塊L4處理結束后再將相應方案反饋返回；重復以上過程，直到該過程滿足收斂條件，則優化系統完成工作，確定最終一組設計方案為最優設計方案；

所述結構分析模塊L4是對設計方案進行結構仿真并分析，從分析結果中提取出優化所需的信息作為方案反饋返回，它由以下6個部分組成：幾何外形L41，外載條件L42，結構材料L43，單元屬性L44，分析求解L45，結果處理L46；它們彼此之間是相互并列的關系；該幾何外形L41實現對結構外形的仿真，建立導彈幾何結構模型；它包括：艙段連接框A的具體尺寸、艙段連接框B的具體尺寸、螺栓的具體尺寸、托板螺母的具體尺寸及彼此間的相對位置；其中，艙段連接框A、艙段連接框B的外徑為0.6m～1.4m，長度與外徑相關，數值上表現為比外徑小0.2m，分為薄壁區域和連接區域，連接區域的厚度為t，寬度為總長與薄壁區域的差，艙段連接框A連接區域的厚度為h1，寬度為a1，與薄壁部分階梯過渡段寬度為a2，艙段連接框B連接區域的厚度為h2，寬度為a3，螺栓位于距離艙段連接框B端面a4的位置上，螺栓個數為n，螺栓直徑為d，根據螺栓直徑選定相應規格的螺栓和托板螺母，確定螺栓和托板螺母的細節尺寸;以上仿真建模過程中部分尺寸為設計變量，故將建模過程中設計變量以如下形式定義：

n=[n],d=[d],t=[t],h1=[h1],h2=[h2],a1=[a1],a2=[a2],a3=[a3],a4=[a4]；

新的設計方案會將各變量新的數值賦值于[*]，從而實現結構幾何模型的自動化更改過程；該外載條件L42實現結構承受載荷的定義，它包括：位移限制和載荷施加；位移限制是將艙段連接框A薄壁區域遠端固定；載荷施加包括軸向的拉壓，徑向的剪切，垂直于軸向的彎矩以及其他形式的載荷；根據要優化導彈艙段徑向連接結構進行載荷數值的設定；該結構材料L43實現對結構材料屬性的定義；它包括艙段連接框A的材料定義、艙段連接框B的材料定義、螺栓的材；定義和托板螺母的材料定義；其中材料定義是指定結構材料的彈性模量，泊松比，密度參數；艙段連接框A、B選用材料有鋁合金，鎂合金以及復合材料；螺栓和托板螺母選用45號鋼或其他合金鋼；該單元屬性L44實現對仿真結構模型單元的定義；它包括艙段連接框A的單元定義、艙段連接框B的單元定義、螺栓的單元定義、托板螺母的單元定義；艙段連接框A、B薄壁區域選用四節點殼單元，連接區域選用四節點體單元，螺栓和托板螺母選用六面體單元，并將所有體單元定義為接觸體，考慮彼此間接觸作用；該分析求解L45實現結構在定義環境下響應的求解；選用求解器對整體結構進行非線性接觸分析；其中，求解器選用現有成熟軟件；該結果處理L46實現對分析結果進行處理，選取優化過程中關心的響應；在結構分析完畢后，求解器會輸出結構每個單元的質量信息，應力信息與位移信息，從中組合得到結構整體質量，結構各部分最大應力，兩個艙段連接框在連接處沿軸向發生的錯位位移；具體數學表達如下：W=∑w_i；s1=max(s1_i)，s2=max(s2_i)，s3=max(s3_i)；dis=max(dis2_i-dis1_i)；其中，w_i為結構各單元質量，s1i,s2i,s3i分別為艙段連接框A、艙段連接框B、螺栓和托板螺母每個單元的應力值，dis1_i,dis2_i分別為位于艙段連接框A、艙段連接框B通孔中心線上的單元的位移信息。