[發(fā)明專利]基于相似理論的航天支架縮比模型輕量化設(shè)計(jì)與微變形測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110268746.0
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號(hào): CN112966337B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張軍峰;廖靖宇;劉恩海
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明

1.基于相似理論的航天支架縮比模型輕量化設(shè)計(jì)與微變形測量方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1、分析工程結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系與環(huán)境載荷約束條件，確定工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)域；

步驟S2、搭建ANSYS下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化環(huán)境，完成拓?fù)湟垣@得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域的主傳力路徑；

步驟S3、借助SolidWorks對所得到的拓?fù)錁?gòu)型幾何邊界進(jìn)行多邊形擬合，獲得新結(jié)構(gòu)形式；

步驟S4、通過力學(xué)仿真分析，對新結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析校核，并選定新結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件的相應(yīng)形狀尺寸作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量；

步驟S5、搭建ANSYS和SolidWorks的聯(lián)合仿真環(huán)境，對相應(yīng)形狀尺寸優(yōu)化變量以離散組合方式開展形狀尺寸優(yōu)化；

步驟S6、通過力學(xué)仿真分析，對所獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行校核；

步驟S7、判斷當(dāng)前優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的收斂性，當(dāng)所優(yōu)化的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能滿足要求時(shí)，優(yōu)化迭代結(jié)束，執(zhí)行步驟S9，否則執(zhí)行步驟S8；

步驟S8、根據(jù)力學(xué)性能的校核結(jié)果，對新結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)優(yōu)化變量作調(diào)整，并執(zhí)行步驟S5；

步驟S9、對獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，根據(jù)相似理論創(chuàng)建縮比模型，并作相應(yīng)工程簡化與冗余處理；

在步驟S9中，采用的相似理論具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

利用結(jié)構(gòu)非線性平衡方程，并做泰勒展開寫成增量形式為：

Kδx＝δF

式中，K為剛度矩陣，δx為結(jié)構(gòu)變形的幾何線性增量，δF為對應(yīng)δx下的結(jié)構(gòu)載荷增量；

對結(jié)構(gòu)劃分有限元網(wǎng)格類型包括六面體磚塊元、三維四面體單元、三角形棱柱單元，這里以六面體磚塊元為例，剛度矩陣K可描述為：

式中，f為結(jié)構(gòu)內(nèi)力，E為材料屬性，a、b、c分別為六面體磚塊元的長寬高尺寸參數(shù)；

要保證縮比模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)在相似載荷δF作用下，位移δx也具備相似性，則需保證剛度矩陣K的相似性：

式中，S_K為縮比模型剛度矩陣K_m與實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度矩陣K_p的比值，S_f為縮比模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力值f_m與實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)力值f_p的比值，S_V為縮比模型體積大小V_m與實(shí)際結(jié)構(gòu)體積大小V_p的比值，S_E為縮比模型材料彈性模型E_m與實(shí)際結(jié)構(gòu)材料彈性模量E_p的比值，S_l為對應(yīng)的縮比模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)l_m與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)l_p的比值，m為縮比模型的相應(yīng)參數(shù)，p為實(shí)際結(jié)構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)，V為結(jié)構(gòu)體積，l為結(jié)構(gòu)所有尺寸參數(shù)的統(tǒng)一表示；

從而，增量位移的相似比為：

式中，S_δx為縮比模型結(jié)構(gòu)變形的幾何線性增量δx_m與實(shí)際結(jié)構(gòu)變形的幾何線性增量δx_p的比值，S_δF為縮比模型結(jié)構(gòu)載荷增量δF_m與實(shí)際結(jié)構(gòu)載荷增量δF_p的比值；

即在只考慮結(jié)構(gòu)線性變形條件下，可對縮比模型施加相似比為δF的載荷，測得縮比模型的變形位移δx_m后，可由位移相似比S_δx推導(dǎo)出實(shí)際結(jié)構(gòu)的位移δx_p；

步驟S10、搭建物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成對縮比模型的工程可靠性驗(yàn)證，并判斷當(dāng)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足可靠性要求時(shí)，執(zhí)行步驟S11，否則執(zhí)行步驟S1；

步驟S11、輸出優(yōu)化結(jié)果，得到滿足工程要求的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2.如權(quán)利要求1所述的基于相似理論的航天支架縮比模型輕量化設(shè)計(jì)與微變形測量方法，其特征在于，在步驟S1中，對工程結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)裝配體的運(yùn)動(dòng)干涉問題，從而確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域與非設(shè)計(jì)域的尺寸范圍。

3.如權(quán)利要求1所述的基于相似理論的航天支架縮比模型輕量化設(shè)計(jì)與微變形測量方法，其特征在于，在步驟S1中，設(shè)置的相應(yīng)環(huán)境載荷約束條件信息包括靜力學(xué)載荷、動(dòng)力學(xué)載荷、材料屬性許用約束、結(jié)構(gòu)邊界位移約束。