[發(fā)明專利]一種基于代理模型的熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811457910.7
• 申請(qǐng)日: 2018-11-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109598059B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 辛健強(qiáng);洪文虎;陳景茂;董永朋;徐騰飛;尹琰鑫;屈強(qiáng);任沖;王靜;姚星合;王潤(rùn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F30/23;G06F17/13;G06F17/15;G06F17/16;G06F119/08
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發(fā)明涉及一種基于代理模型的熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)模塊，先在小樣本基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元分析、擬合響應(yīng)面模型，再在響應(yīng)面模型上進(jìn)行大量的優(yōu)化分析，大幅度減少了運(yùn)算量，提高了效率；同時(shí)采用時(shí)間積分方法方法求解熱防護(hù)分析模型的線性常微分方程組，節(jié)約了解算時(shí)間；本發(fā)明還考慮了包括幾何尺寸，材料的密度、比熱容、熱導(dǎo)率、熱防護(hù)系統(tǒng)表面輻射率的多個(gè)優(yōu)化變量對(duì)熱防護(hù)的影響，建立了熱分析模型，使得熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具有更高的精度，為高超聲速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù)；此外本發(fā)明方法，有效減少熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量，降低熱防護(hù)系統(tǒng)重量，降低飛行器的功耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于代理模型的熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)模塊，屬于高超聲速熱防護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

熱防護(hù)系統(tǒng)(Thermal?Protection?System,TPS)是高超聲速飛行器的最重要的系統(tǒng)之一，在飛行器氣動(dòng)加熱的高溫惡劣環(huán)境下保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和飛行器內(nèi)部的溫度條件。熱防護(hù)系統(tǒng)的可靠性和結(jié)構(gòu)完整性對(duì)空天飛行器的安全至關(guān)重要，由其故障而造成的事故在航天/空天飛行器任務(wù)失敗中占相當(dāng)比例，因此熱防護(hù)技術(shù)是高超飛行器設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

在熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的問(wèn)題是合理確定熱防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、材料及其尺寸，在保證系統(tǒng)熱防護(hù)效果的前提下降低系統(tǒng)的重量。然而，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量眾多，包括眾多典型結(jié)構(gòu)尺寸，材料性能參數(shù)等，約束條件復(fù)雜，包括防熱、隔熱、強(qiáng)度、模態(tài)等方面。在傳統(tǒng)的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，沒(méi)有辦法考慮眾多因素，設(shè)計(jì)結(jié)果余量過(guò)大，設(shè)計(jì)結(jié)果過(guò)于保守，很難直接實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。并且傳統(tǒng)方法的設(shè)計(jì)效率低，而在某些情況下，容易出現(xiàn)人因錯(cuò)誤，導(dǎo)致設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要建立一種適用于熱防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于代理模型的熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有效減少熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量，降低熱防護(hù)系統(tǒng)重量，降低飛行器的功耗，并大幅度減少了運(yùn)算量，提高了效率。

本發(fā)明的另外一個(gè)目的在于提供一種基于代理模型的熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。

本發(fā)明的上述目的主要是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種基于代理模型的熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括：

根據(jù)飛行器的外形尺寸和熱環(huán)境條件，確定熱防護(hù)系統(tǒng)中每個(gè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)所述每個(gè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)確定熱防護(hù)系統(tǒng)的m個(gè)優(yōu)化變量樣本組合p_i(i＝1,2,3,.....,m)；

根據(jù)所述熱防護(hù)系統(tǒng)的m個(gè)優(yōu)化變量樣本組合p_i(i＝1,2,3,.....,m)，利用有限元方法，對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)的瞬態(tài)熱分析模型進(jìn)行空間離散，獲得一組以時(shí)間t為獨(dú)立變量的線性常微分方程組；

利用溫度向量積分公式，對(duì)所述線性常微分方程組進(jìn)行時(shí)間域離散，得到每個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)向量；

從所述每個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)向量中提取指定區(qū)域整個(gè)時(shí)間歷程內(nèi)的溫度特征量，得到指定區(qū)域的m個(gè)優(yōu)化變量樣本組合p_i(i＝1,2,3,.....,m)所對(duì)應(yīng)的輸出溫度特征量y_i(i＝1,2,3,.....,m)；

根據(jù)所述指定區(qū)域的m個(gè)優(yōu)化變量樣本組合p_i(i＝1,2,3,.....,m)和對(duì)應(yīng)的輸出溫度特征量y_i(i＝1,2,3,.....,m)，獲得二者的函數(shù)關(guān)系g(p)；

建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)f(p)，將所述函數(shù)關(guān)系g(p)作為約束函數(shù)，令約束函數(shù)g(p)≤T_S，T_S為指定位置溫度的最大允許值，獲得f(p)≤f_S的最優(yōu)解，作為優(yōu)化變量向量p的最優(yōu)取值，其中f_S為設(shè)定目標(biāo)量。