[發明專利]一種鎧甲式薄壁結構輕量化設計方法

有效

• 申請號: 202010520151.5
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111859483B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 閻琨;蔡賢輝;潘余;程耿東;孫國
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06F30/23;G06F111/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜威威;李洪福

本發明公開了一種鎧甲式薄壁結構輕量化設計方法，屬于航空航天設備領域，包括以下步驟：基于受內壓部件的初始結構設計，在厚度減薄后的幾何模型的被減薄區域的表面覆蓋一層具有均勻厚度的薄壁結構，得到待優化幾何模型；采用二階或高階實體單元進行網格劃分，并施加邊界約束條件與載荷條件，得到有限元分析模型；獲得設計域內的最優材料分布；建立拓撲優化后所述受內壓部件的參數化實體幾何模型；以獲得最優參數優化設計變量取值，最終得到設計對象部件的鎧甲式薄壁結構輕量化設計模型；該方法完整的包含了概念設計階段與詳細設計階段，同時給出了拓撲優化所需幾何模型處理方法與參數優化所需參數化幾何模型建模方法，這些方法具有良好的可操作性與便捷性。

技術領域

本發明涉及航空航天設備領域，尤其涉及一種鎧甲式薄壁結構輕量化設計方法。

背景技術

受內壓載荷作用的薄壁結構廣泛應用于航空航天、化工機械等眾多工程領域，如輸送管道、發動機進氣道等。相關領域中，有的設備對結構輕量化程度要求較高。長期以來，薄壁結構的輕量化需求多是采用加筋設計代替均勻厚度設計的方式來實現。這是因為，相同材料用量下，加筋構型具有更好的抗彎能力，從而可有效的利用材料的力學性能。通過引入結構參數優化技術，對筋條布局開展優化設計，可以進一步的提高材料利用效率。然而，無論是何種加筋方式，均要求筋條需具有足夠的高度且連續分布，這導致加筋構型存在若干的不足：

1)高質量的加工制造存在困難。由于筋條厚度明顯大于薄壁區域，經濟的做法是將筋條焊接在薄壁結構表面，但這易引起加工缺陷。為此，高可靠性要求的設備，如航空發動機等較少采用該加工方式。其次，為采用化學銑加工方式，但這一加工方式的精度及可控性有限，所獲的實際產品的重量往往大于設計重量，這將影響對設備總體重量和質心的預估。精度最高的加工方式是，采用數控加工由一整塊料逐步銑出加筋薄壁結構，但加工過程非常耗時，同時也會極大的浪費材料。

2)部分筋條效率低。由于多數筋條需連續布置，即由結構的一端連續的延伸至另一端或自身首尾相接，這導致不需要增加材料的區域也會被增添材料，從而未能最有效的降低結構重量。

3)熱力聯合載荷作用下，易出現高應力現象。航空航天、化工機械等領域中，許多薄壁構件同時承受內壓載荷與溫度載荷作用。由于溫度變化的速度與薄壁區域的厚度直接相關，而加筋設計中的筋條高度往往需顯著的高于薄壁區域。為此，升溫或降溫過程中，筋條根部易出現較大的應力集中現象，導致結構壽命降低，甚至引起結構破壞。

為了克服加筋設計存在的不足，本專利提供了一種新的可用于受內壓薄壁結構輕量化的結構設計構型。因其結構設計特征類似于，在薄弱處為結構穿套了一層鎧甲，而被稱為鎧甲式薄壁結構設計。鎧甲的布置區域及形狀由涵蓋概念設計階段與詳細設計階段的結構優化設計流程獲得。其中，概念設計階段將使用拓撲優化技術，而詳細設計階段將使用參數優化技術(包含形狀優化與參數優化)。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種鎧甲式薄壁結構輕量化設計方法，一種鎧甲式薄壁結構輕量化設計方法，包括以下步驟：

S1：基于受內壓部件的初始結構設計，對所述受內壓部件的薄壁區域進行厚度減薄，得到厚度減薄后的幾何模型；

S2：通過幾何模型建模，在厚度減薄后的幾何模型的被減薄區域的表面覆蓋一層具有均勻厚度的薄壁結構，得到待優化幾何模型，定義所生成的具有均勻厚度的薄壁結構為設計域；

S3：對待優化幾何模型，采用二階或高階實體單元進行網格劃分，并施加邊界約束條件與載荷條件，得到有限元分析模型；

S4：以內壓載荷或內壓與溫度聯合載荷下結構剛度最大化為目標函數，以保留的材料體積小于設定值為約束條件，建立所述受內壓部件的拓撲優化列式，并基于所建立的有限元分析模型對設計域內的材料分布進行拓撲優化，獲得設計域內的最優材料分布；

S5：基于設計域內最優材料分布，建立拓撲優化后所述受內壓部件的參數化實體幾何模型；