[發明專利]一種二級箱間段結構優化設計方法

有效

• 申請號: 201611103436.9
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106777617B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 王博;任彥婷;陳獻平;閆偉;王斌;吳會強;田建東;李東;王玨;曹廣龍;任明法
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;北京宇航系統工程研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;趙連明

本發明屬于航天艙段結構設計領域，涉及一種二級箱間段結構優化設計方法，本發明主要包括二級箱間段結構的叉子單元上接頭拓撲優化和設計優化兩部分，具體為：根據結構載荷形式，對箱間段叉子單元進行拓撲優化，得到粗略結構形式；根據具體的結構載荷及總體結構設計要求，在拓撲優化得到的結構形式基礎上進行設計優化，得到箱間段叉子單元接頭的具體參數；對箱間段叉子單元及相鄰的火箭殼體進行聯合建模，校核二者互為真實邊界后的結構強度；對上接頭結構的具體幾何參數進行優化，獲得詳細的結構參數。本發明能夠提高桿系部段叉子單元的接頭集中載荷的擴散效率，降低接頭應力水平，解決箱間段叉子單元接頭的局部強度問題。

技術領域

本發明屬于航天艙段結構設計領域，涉及一種二級箱間段結構優化設計方法。

背景技術

結構優化、特別是結構拓撲優化技術在各類結構設計中具有重要意義。基于先進的有限元數值分析技術發展起來的現代結構拓撲優化技術已經在航空航天、交通運輸等部門得到了成功的應用，如在飛機等關鍵部件設計中獲得了可觀的優化收益。

芯二級氫箱和二級氧箱之間通過桿系形式的二級箱間段連接，在試驗或者飛行中主要受軸拉/軸壓載荷作用。對傳統設計給出的結構形式經過有限元分析表明：箱間段桿系上接頭在軸拉工況下發生三點彎曲，存在大面積的高應力區，不滿足強度要求。為能得到滿足設計要求的上接頭結構形式，必須通過拓撲優化的手段重新設計上接頭結構形式，使得該區域應力水平下降，達到預期性能指標。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種二級箱間段結構優化設計方法，該方法能夠提高桿系部段叉子單元的接頭集中載荷的擴散效率，降低接頭應力水平，解決箱間段叉子單元接頭的局部強度問題。本發明適合于運載火箭桿系部段叉子單元的接頭設計，有利于降低接頭應力水平，提高結構承載能力。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種二級箱間段結構優化設計方法，主要包括二級箱間段結構的叉子單元上接頭拓撲優化和設計優化兩部分，具體步驟如下：

第一步，對二級箱間段結構的叉子單元上接頭進行拓撲優化

傳統設計給出的叉子單元上接頭結構，在部段軸拉載荷作用下，結構局部存在很高的集中應力，不滿足強度要求。為能得到滿足設計要求的上接頭結構形式，本發明通過拓撲優化的手段重新設計上接頭結構形式，使得該區域應力水平下降。

1.1)在HyperMesh中建立原二級箱間段結構的上接頭模型，用一塊實體的設計域包圍原有上接頭，建立上接頭拓撲優化模型；并考慮螺栓的安裝需求，在設計域中預留出螺帽所占用的空間。

1.2)簡化上接頭拓撲優化模型，將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力，近似等效軸拉工況，完成上接頭拓撲優化的模型建立工作；

1.3)因為拓撲優化只為尋找最佳的傳力路徑，據此給出概念設計，并不需要進行十分精確的非線性分析，考慮到接頭的實際約束和受力情況，優化模型予以簡化，直接將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力來近似等效軸拉工況。

以上接頭拓撲優化模型剛度最大(最小柔順性)為設計目標，給定結構重量上限，對優化設計域內的材料密度分布進行設計，在OptiStruct中定義求解二級箱間段結構的最小柔順性優化問題，得到上接頭拓撲優化設計結果，即二級箱間段接頭的具體參數。

依據OptiStruct軟件中拓撲優化問題的求解算法(SIMP)，構造最小柔順性優化問題：

(a)目標：二級箱間段結構的最小柔順性設計使結構整體剛度最大。

(b)約束：確定體積用量，作為約束上限。所述的體積用量為整體二級箱間段結構的10％。

(c)設計變量：優化設計域內單元密度。