CN107169209B - 一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，步骤如下：S1：根据输入条件，确定结构内外包络；并确定最严酷工况；S2:确定可优化设计区域，对目标区域采用实体单元填充，进行初始拓扑优化；S3：确定结构传力大致路径；S4：结合工程算法和结构仿真，确定结构框间距；S5：确定可优化设计区域，对目标区域采用壳单元，进行进一步拓扑优化；S6：进行结构设计；S7：分析确定结构的可能失效模式；并建立有限元模型进行仿真分析，要求能够覆盖结构全载荷工况的所有失效模式；S8：仿真分析结果至结构能满足结构设计要求；如否，则重复S6、S7；S9：结构零部件尺寸细化优化设计，至结构仿真分析结果能满足结构设计要求。

Description

一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法
技术领域
本发明涉及运载器、飞行器结构强度设计领域，具体涉及偏置集中力作用下的舱体结构设计及优化方法。
背景技术
助推器作为提高火箭运载能力的重要手段之一，广泛应用于现代运载火箭中。因助推与芯级存在捆绑，必然存在承受偏置集中载荷的舱体结构。如果对于偏置集中载荷作用下的结构设计不够优化、强度分析不够精确，往往容易出现局部承载能力不足导致结构提前破坏，或结构质量较重影响运载火箭承载能力等问题。因此该类偏置集中力作用下的舱体结构设计是助推器结构系统设计的重点。
运载火箭结构多为薄壳结构，针对常规运载火箭载荷分布均匀、结构刚度均布的特点，现阶段的设计方法通常是先根据载荷、强度及刚度要求，采用工程算法直接确定结构构型、尺寸，最后再进行仿真分析，根据分析结果调整设计参数，实现迭代优化，此种设计流程对于舱段传力较为均匀的火箭结构实施效果较好，但对于偏置大集中力作用下的结构舱体则无法达到结构优化设计。
本发明公开了一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，该方法能够对承受偏置集中载荷的舱体结构设计提供指导，可以广泛应用于承受偏置集中载荷的航天器结构。
发明内容
本发明提供了一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，对于偏置集中力作用下的结构，在设计初期即按偏置集中载荷条件通过结构拓扑优化开展结构整体优化设计，根据优化设计结果确定较为合理的详细设计参数、合理的工艺实现形式，从而能够获得较为合理的整体结构设计方案。这种方法已应用在航天运载器某偏置结构设计中，相关结构已得到静力试验验证的考核。
本发明通过以下技术方案实现：
一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，包括以下步骤：
S1：根据输入条件，确定结构内外包络；对结构承受的载荷工况进行梳理，并确定最严酷工况；
S2:确定可优化设计区域，对目标区域采用实体单元填充，进行初始拓扑优化；
S3：根据实体单元优化结果确定结构传力大致路径，确定结构的形式；
S4：根据工艺、制造工装设备、原材料的生产能力及性能等，结合工程算法或结构仿真，确定结构框间距；
S5：根据结构框间距等，确定可优化设计区域，对目标区域采用壳单元，进行进一步拓扑优化；
S6：根据实体单元和壳单元的优化结果进行结构设计；
S7：根据结构及载荷特点，分析确定结构的可能失效模式；并建立有限元模型进行仿真分析，可以采用一个或多个有限元仿真模型，要求能够覆盖结构全载荷工况的所有失效模式，失效模式可能包含结构总体稳定性、部段稳定性、局部稳定性、结构应力强度、连接件应力强度；
S8：仿真分析结果至结构能满足结构设计要求；如否，则重复S6、S7；
S9：结构零部件尺寸细化优化设计，至结构仿真分析结果能满足结构设计要求。
进一步，还包括S10：偏置集中力作用结构的初期优化可以采用线弹性分析方法，对结构参数优化到一定的精度后，必须依托非线性有限元分析方法进行优化及强度仿真分析。
较佳的，步骤S2和S5中，针对偏置集中力作用下的结构设计，首先采用实体单元对结构包络内可设计区域全填充，得到结构的大致传力路径，然后再对结构采用壳单元进行传力路径内的结构大致尺寸进一步进行优化，优化中均采用以刚度最大为目标函数，以集中载荷扩散尽量均布为约束条件的优化策略。
较佳的，步骤S7中，对偏置集中力作用下的复杂结构，仿真分析首先需要梳理确定结构可能的失效模式，再建立有限元仿真模型进行仿真分析，可以采用多个有限元模型覆盖结构全载荷工况的所有失效模式。对于复杂结构，采用一个有限元模型覆盖结构所有失效模式，模型规模会非常巨大，或者会丢失失效模式。
针对本发明的实施例的验证，该方法能够解决偏置集中力作用下的复杂结构的设计及优化，最终设计的实施例结构传力路径合理，顺利通过试验验证，并与试验结果吻合较好。本发明的方法是对于现有运载火箭承受偏置集中载荷结构设计及优化方法的一次必要的补充完善，承受偏置集中载荷的航天器结构可参照执行以降低结构强度设计的风险。
附图说明
图1是本发明一实施例中偏置集中力作用下的结构包络示意图；
图2是本发明一实施例中结构壳单元模型拓扑优化划分示意图；
图3是本发明一实施例中采用实体单元拓扑优化结果之一示意图；
图4是本发明一实施例中经优化设计后的结构方案示意图。
具体实施方式
以下将结合图1至图4对本发明提供的偏置集中力作用下的结构设计及优化方法进行详细阐述，其为本发明可选实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内对其进行修改和润色。
如图1所示，为本发明实施例的一个舱体主结构外包络及偏置集中力作用点的示意图，结构在外凸的平台处承受集中载荷。
本发明提供的偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，较为详细的，包括以下步骤：
步骤1：根据结构的内外包络，如图1所示，及集中载荷的初始输入条件，对结构承受的载荷工况进行梳理，并确定最严酷工况；
步骤2：确定可优化设计区域，对目标区域采用实体单元填充，实体单元区域如图1所示，并进行初始拓扑优化；
步骤3：根据实体单元优化结果，如图3所示，确定结构传力大致路径并确定结构的总体传力形式；
步骤4：根据工艺、制造工装设备、原材料的生产能力及性能等，结合工程算法或结构仿真，确定结构框间距；
步骤5：根据结构框间距等，确定可优化设计区域，对目标区域采用壳单元，进行进一步拓扑优化，壳单元划分；
步骤6：根据实体单元和壳单元的优化结果进行结构设计；
步骤7：根据结构及载荷特点，分析确定结构的可能失效模式；并建立有限元模型进行仿真分析，可以采用一个或多个有限元仿真模型，要求能够覆盖结构全载荷工况的所有失效模式，失效模式可能包含结构总体稳定性、部段稳定性、局部稳定性、结构应力强度、连接件应力强度；
步骤8：仿真分析结果至结构能满足结构设计要求；如否，则重复步骤6和步骤7；
步骤9：结构零部件尺寸细化优化设计，至结构仿真分析结果能满足结构设计要求，最终实施例偏置集中力作用下的结构最终设计方案如图4所示。综上所述，本发明针对偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，首先采用实体单元对结构包络内可设计区域全填充，得到结构的大致传力路径，然后再对结构采用壳单元进行传力路径内的结构大致框梁尺寸进一步进行优化，根据实体单元及壳单元的优化结果以及合理的工艺实现形式对结构进行初始设计，最终再对细部结构进行形貌及尺寸优化，并进行强度仿真分析，最终能够覆盖结构全载荷工况的所有失效模式。

Claims (4)

1.一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据输入条件，确定舱体结构内外包络；对舱体结构承受的载荷工况进行梳理，并确定最严酷工况；
S2 : 确定可优化设计区域，对目标区域采用实体单元填充，相对变密度优化方法进行初始拓扑优化；
S3：根据实体单元优化结果确定结构传力大致路径，确定结构的形式；
S4：根据工艺、制造工装设备、原材料的生产能力及性能，结合工程算法和结构仿真，确定结构框间距；
S5：根据结构框间距，确定可优化设计区域，对目标区域采用壳单元，相对变密度优化方法进行进一步拓扑优化；
S6：根据实体单元和壳单元的优化结果进行结构设计；
S7：根据结构及载荷特点，分析确定结构的失效模式；并建立有限元模型进行仿真分析，采用一个或多个有限元仿真模型，要求能够覆盖结构全载荷工况的所有失效模式，失效模式包含结构总体稳定性、部段稳定性、局部稳定性、结构应力强度、连接件应力强度；
S8：仿真分析结果至结构能满足结构设计要求；如否，则重复S6、S7；
S9：结构零部件尺寸优化设计，至结构仿真分析结果能满足结构设计要求。
2.如权利要求1 所述的一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，其特征在于：还包括步骤S10：对结构参数优化到一定的精度后，依托非线性有限元分析方法进行优化及强度仿真分析。
3.如权利要求1 或2 所述的一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，其特征在于：在所述步骤S2 和S5 中，针对偏置集中力作用下的结构设计，首先采用实体单元对结构包络内可优化设计区域全填充，得到结构的大致传力路径，然后再对结构采用壳单元进行传力路径内的结构大致尺寸进一步进行优化。
4.如权利要求1 或2 所述的一种偏置集中力作用下的结构设计及优化方法，其特征在于：在所述步骤 S7 中， 对偏置集中力作用下的复杂结构，仿真分析首先需要梳理确定结构的失效模式，再建立有限元仿真模型进行仿真分析，采用多个有限元模型覆盖结构全载荷工况的所有失效模式。
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