CN110727998A - 用于连接燃料储箱的复合材料x型支架结构优化设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及系统，该方法首先根据复合材料X型支架的结构特征，确定设计参数，建立参数化几何模型；然后对含燃料储箱和复合材料X型支架的整体模型进行有限元分析，确定位移边界条件；再基于参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型，利用实验设计方法获得优化设计变量；再基于参数化几何模型、位移边界条件和优化设计变量，建立优化设计模型，获得满足约束条件的优化设计参数；最后基于优化设计参数并选择铺层方式，建立基于铺层的有限元模型进行强度校核分析，获得满足强度设计要求的复合材料X型支架结构。该设计方法设计出的复合材料X型支架结构具有轻质高强的优点。

Description

用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及 系统

技术领域

本发明涉及运载火箭结构设计技术领域，尤其是一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及系统。

背景技术

随着太空探索需求的快速增加，新型运载火箭的研发日益迫切。新型运载火箭对结构轻量化的要求更加严格，而复合材料因其高比强度、比刚度等优点成为航天器结构件的首选材料之一。大量实践证明，相比于同性能的金属材料结构，在航空航天产品中应用复合材料可以减重10～50％，费用可以降低10～20％。

在运载火箭整个发射过程中，复合材料X型支架先承受拉伸载荷后承受压缩载荷。由于燃料储箱尺寸大，所携带的燃料多，复合材料X型支架需承受的拉压载荷均较大。因此，在复合材料X型支架的结构设计中必须满足强度和稳定性要求。

复合材料X型支架作为运载火箭中的一种新型结构件，其结构形式和材料体系均不同于原有的金属支架，因此不能简单地借用原有金属支架的结构设计方法。为了满足上述设计要求，需要结合复合材料各向异性的力学性能特点，利用结构优化设计方法对复合材料X型支架的外形尺寸和厚度值进行优化设计，最终获得满足设计要求的复合材料X型支架结构。

发明内容

本发明提供一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及系统，用于克服现有技术中的缺陷，实现设计出的复合材料X型支架结构既能够减轻重量又满足强度要求。

为实现上述目的，本发明提出一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构设计方法，包括以下步骤：

S1：基于复合材料X型支架的结构特征，提取复合材料X型支架的设计参数，根据结构特征和设计参数建立复合材料X型支架结构的参数化几何模型；

S2：基于S1获得的结构特征及设计参数，建立含燃料储箱和复合材料X型支架的有限元模型；基于所述有限元模型分析获得复合材料X型支架受燃料储箱变形影响长臂接头段相对短臂接头段沿燃料储箱径向的相对变形量；基于所述相对变形量及安全系数，确定复合材料X型支架结构优化设计的接头段位移边界条件；

S3：基于S1获得的参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型，利用实验设计方法来确定S1获得的各个设计参数对约束响应的影响程度，从而对设计参数进行筛选，获得所需的优化设计变量；

S4：基于S1～S3获得的参数化几何模型、位移边界条件和优化设计变量，以重量最轻为目标建立复合材料X型支架优化设计模型，利用响应面法对复合材料X型支架的优化设计变量进行优化，从而获得满足约束条件的复合材料X型支架优化设计参数；

S5：对S4获得的优化设计参数进行校核分析，当利用优化设计参数构建的复合材料X型支架结构满足强度设计要求时，输出S4的设计结果。

优选地，所述S1具体为：

S11：根据复合材料X型支架的结构特征，将所述复合材料X型支架分解为四个部分：接头段、过渡段、等直段和交叉段；

S12：根据所述接头段、过渡段、等直段和交叉段的结构特征，分别提取设计参数；

S13：基于S12获得的设计参数建立复合材料X型支架的参数化几何模型。

优选地，所述设计参数主要包括：

接头段设计参数，包括增强件厚度T_m；

过渡段设计参数，包括过渡段轴线长度K；

等直段设计参数，包括凸起宽度J、凸起高度P、帽形壳体厚度T₁和中间层厚度T₀；

交叉段设计参数，包括圆角直径D₅、D₆、D₇和D₈。

优选地，所述S3具体为：

S31：基于S1获得的参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型；将所述有限元模型中复合材料属性简化为面内各向同性的材料属性；

S32：利用实验设计方法得到S1获得的各个设计参数对所有约束响应的帕累托图，依据各个帕累托图中的设计参数的排序筛选出对约束响应影响最为显著的设计参数作为优化设计变量。

优选地，所述有限元模型的主要边界条件包括：

复合材料X型支架左、右对称约束(即如图8所示，将复合材料X型支架纵向对称切分，取其中一半，在切分面上施加对称约束条件)；

短臂接头段，对所有用于与燃料储箱端框连接的螺栓孔施加6个自由度的全约束；对短臂接头段近燃料储箱侧施加沿燃料储箱径向的位移约束；

长臂接头段，压缩工况下施加S2获得的位移边界条件，拉伸工况下对长臂接头段近燃料储箱侧施加沿燃料储箱径向的位移约束；在所有螺栓孔中心进行加载。

优选地，所述加载方式如下：

在每个螺栓孔中心沿燃料储箱轴向加载；

优选地，所述约束响应包括：质量、拉伸工况下复合材料最大Mises应变(米塞斯等效应变)、复合材料强度失效因子、钛合金最大Mises应力(米塞斯等效应力)、胶层最大剪切应力和压缩工况下复合材料X型支架结构的一阶屈曲模态特征值。

优选地，所述S4中，所述优化设计模型包括优化算法和有限元模型两部分，所述优化算法为响应面法，所述有限元模型为与S3一样的有限元模型；

所述约束条件包括应变约束条件、强度约束条件和压缩稳定性约束条件。

优选地，所述S4具体为：

S41：基于S1～S3获得的参数化几何模型、位移边界条件和筛选后的设计参数，以重量最轻为目标建立复合材料X型支架优化设计模型；

S42：根据经验对S3筛选出的优化设计变量设定初始值和变量范围；

S43：基于S3建立的有限元模型，利用响应面法，在给定的约束条件下获得重量最轻的复合材料X型支架结构。

优选地，所述S5具体为：

S51：选择复合材料的铺层方式，基于所述铺层方式和S4获得的优化设计参数建立含有铺层信息的复合材料X型支架结构有限元模型；

S52：利用S51建立的所述有限元模型，基于S3所述边界条件，对复合材料X型支架结构进行静力分析，校核优化设计获得的复合材料X型支架结构是否满足强度设计要求；满足强度设计要求时，则输出S4的设计结果；不满足强度设计要求时，重返S4，调整约束条件重新对优化设计变量进行优化。

为实现上述目的，本发明还提出一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计系统，包括处理器和储存器，所述存储器中存储有用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计程序，在所述处理器运行所述用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计程序时执行上述所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明提供的复合材料X型支架结构设计方法首先基于复合材料X型支架的结构特征，提取复合材料X型支架的设计参数，并建立复合材料X型支架结构的参数化几何模型；在充分反映复合材料X型支架结构特征的基础上，通过合理的建模方式获得较少的设计参数，降低了优化设计的难度；然后对含燃料储箱和复合材料X型支架的整体模型进行有限元分析，确定复合材料X型支架结构优化设计所需的沿燃料储箱径向的位移边界条件；再基于参数化几何模型，建立复合材料X型支架结构的有限元模型，利用实验设计方法筛选设计参数，获得优化设计变量；接着基于已获得的参数化几何模型、位移边界条件和优化设计变量，以重量最轻为目标，建立优化设计模型，利用响应面法对优化设计变量进行优化，从而获得满足约束条件的复合材料X型支架结构优化设计参数；最后基于优化设计参数并选择合适的铺层方式构建复合材料X型支架结构有限元模型，进行校核分析，最终获得满足强度设计要求的复合材料X型支架结构。通过本发明提供的设计方法所获得的复合材料X型支架结构，可以在满足强度和压缩稳定性要求的前提下，大幅降低结构重量，满足了复合材料X型支架的轻量化要求。本发明提供的设计方法，在考虑多工况、多约束的情况下，可同时对结构尺寸和厚度参数进行同步优化，所获得的优化结果为实际工程应用提供重要参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的结构优化设计方法流程图；

图2为复合材料X型支架的结构特征图；

图3为复合材料X型支架接头段三维示意图；

图4为复合材料X型支架接头段平面示意图；

图5为复合材料X型支架接头段和过渡段的平面示意图；

图6为复合材料X型支架等直段的横截面示意图；

图7为复合材料X型支架交叉段平面示意图；

图8为复合材料X型支架几何模型图；

图9为含燃料储箱和复合材料X型支架结构的几何模型图；

图10为含燃料储箱和复合材料X型支架结构的有限元模型及加载示意图；

图11为步骤S31中有限元模型的主要边界条件示意图；

图12为实施例中最终优化设计得到的复合材料X型支架示意图。

附图标号说明：1：接头段；2：过渡段；3：等直段；4：交叉段；5：增强件；6：上储箱；7：下储箱；81：内壳体；82：外壳体；9：中间板。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。

本实施例提出一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：基于复合材料X型支架的结构特征，提取复合材料X型支架的设计参数，在CAD软件中根据结构特征和设计参数建立复合材料X型支架结构的参数化几何模型。

复合材料X型支架用于连接火箭发动机的液氢和液氧储箱(即上储箱6和下储箱7)。上储箱6和下储箱7连接端框均为圆筒形，因此复合材料X型支架需要沿上储箱6的底部端框和下储箱7顶部端框周向紧密均布。由于复合材料X型支架的主体单元部分(即等直段3和交叉段4)呈平面型结构，而液氢和液氧储箱直径不相等，所以复合材料X型支架与燃料储箱端框需要呈一定的空间夹角来进行连接。为了连接圆弧形端框，复合材料X型支架的接头段需要设计成与圆弧形端框相匹配的圆弧状。因此复合材料X型支架为一种具有复杂空间构型的结构件。

复合材料X型支架作为运载火箭中的一种新型结构件，利用本发明的结构优化设计方法对复合材料X型支架的外形尺寸和壳体厚度进行优化设计，从而获得满足强度设计要求的复合材料X型支架结构。因此，本发明具有重要的实际工程应用价值与需求。

步骤S1具体为：

S11：如图2所示，根据复合材料X型支架的结构特征，将所述复合材料X型支架分解为四个部分：接头段1、过渡段2、等直段3和交叉段4；

S12：根据所述接头段1、过渡段2、等直段3和交叉段4的结构特征，分别提取设计参数；

接头段1设计参数，包括增强件厚度T_m；

为了增强接头段1的承载能力，在接头段1的三层式结构中嵌入了两层增强件5，如图3所示，因此接头段1的设计参数包括所述增强件厚度T_m。本实施例中所述增强件5为钛合金金属片。

复合材料X型支架用于将燃料储箱的上储箱和下储箱连接起来，通过接头段1上的螺栓孔与燃料储箱端框通过螺栓进行连接；复合材料X型支架的等直段3以交叉段4为界，分为长臂等直段和短臂等直段，因此将接头段1分为长臂接头段(长臂等直段上的接头段)和短臂接头段(短臂等直段上的接头段)，长臂接头段与上储箱连接，短臂接头段与下储箱连接。根据上储箱和下储箱的尺寸确定复合材料X型支架的数量和接头段1的尺寸。接头段1可以用9个设计参数来描述，包括：单排螺栓孔数量U、螺栓孔直径Φ、螺栓孔排数C、螺栓孔边距A、螺栓孔端距B、螺栓孔水平间距V、螺栓孔垂直间距G、接头宽度W、接头长度L，如图4和图5所示，其中

L＝2B+G(C-1) (2)

每排螺栓孔之间等距排列，相邻两排螺栓孔错位排列。根据某一现有的燃料储箱尺寸，可以直接确定接头段1的单排螺栓孔数量U、螺栓孔直径Φ、螺栓孔排数C、螺栓孔边距A、螺栓孔端距B、螺栓孔水平间距V、螺栓孔垂直间距G，如表1所示；再通过公式(1)和公式(2)获得接头宽度W和接头长度L。

过渡段2设计参数，如图5所示，包括过渡段轴线长度K；

过渡段2用于连接接头段1和等直段3，如图5所示，所述过渡段2将横截面为“中”字型的等直段3平缓过渡成扁平状接头，其主要特征表现为所述过渡段2在靠近接头段1的凸起部分宽度展宽至接头段1宽度的一半，即S＝W/2，处于展宽状态时保证过渡段2凸起两侧圆弧面与等直段3凸起侧面相切。将等直段3的中心轴线延伸至接头段1，其交点为接头段1的中点。过渡段2的设计参数为过渡段轴线长度K。

等直段3设计参数，包括凸起宽度J、凸起高度P、帽形壳体厚度T₁和中间层厚度T₀；

等直段3的横截面为“中”字型，如图6所示，等直段3横截面为三层粘合式的对称结构，共有4个设计参数：凸起宽度J、凸起高度P、帽形壳体厚度T₁和中间层厚度T₀。

需要说明的是，侧边宽E由粘接工艺确定，凸起侧面倾角β由脱模工艺确定，因此这两个参数不选为设计参数。本实施例中E＝20mm，β＝12°。

交叉段4设计参数，包括圆角直径D₅、D₆、D₇和D₈；

交叉段4为等直段3的交叉部分，如图7所示，有4个设计变量：圆角直径D₅、D₆、D₇和D₈。

综上所述，复合材料X型支架结构共有10个设计参数，如表2所示。

S13：基于S12获得的设计参数，在CAD软件中建立复合材料X型支架的参数化几何模型，如图8所示，该模型可以根据参数脚本的修改进行自动更新。

S2：基于S1获得的结构特征及设计参数，建立含燃料储箱和复合材料X型支架的有限元模型；基于所述有限元模型分析获得复合材料X型支架受燃料储箱变形影响长臂接头段相对短臂接头段沿燃料储箱径向的相对变形量；基于所述相对变形量及安全系数，确定复合材料X型支架结构优化设计的接头段位移边界条件；

所述相对变形量是指以每个X型支架结构的其中一个接头段1为基准，其余三个接头段1相对于该基准接头段1在加载前后的空间位移差。约定在沿燃料储箱径向方向上，长臂接头段相对于短臂接头段向远离燃料储箱轴线偏移为正，向靠近燃料储箱轴线偏移为负。

先建立含燃料储箱和复合材料X型支架结构的几何模型，如图9所示；基于所述几何模型建立了含燃料储箱和复合材料X型支架结构的有限元模型，如图10所示。其中，为了简化模型，提高计算效率，将复合材料X型支架简化为梁单元模型，接头段1与燃料储箱的连接简化为绑束约束。

在基于所述有限元模型的分析中，复合材料X型支架的梁单元截面参数的一组典型初始值如表3所示。

如图10所示，将上储箱6的上边缘(截面1)进行完全约束，在下储箱7的上边缘(截面2)施加压缩载荷，包括：

轴力T：6.23×10⁵N；弯矩M：2.70×10⁷N·mm。

通过有限元分析，在考虑一定安全系数的原则下，确定结构优化设计中所需要的压缩工况中接头段1沿燃料储箱径向的位移边界条件为10mm。

S3：基于S1获得的参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型，利用实验设计方法来确定S1获得的各个设计参数对约束响应的影响程度，从而对设计参数进行筛选，获得所需的优化设计变量；

具体为：

S31：基于S1获得的参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型；为了提高计算效率，将所述有限元模型中复合材料属性简化为面内各向同性的材料属性；

同时，本实施例还选用Hoffman复合材料失效模型用于获得复合材料强度失效因子；本实施例还利用胶接单元来模拟复合材料X型支架三层结构的粘接，用于获得层合式结构的粘接强度；

本实施例建立的有限元模型的单元类型为壳单元。所使用的复合材料为T800/Epoxy平纹织物复合材料，所述复合材料的力学性能如表4所示。

所述有限元模型的主要边界条件如图11所示，包括：

复合材料X型支架左、右对称约束；

短臂接头段，对所有用于与燃料储箱端框连接的螺栓孔施加6个自由度的全约束；对短臂接头段近燃料储箱侧施加沿燃料储箱径向的位移约束；

长臂接头段，压缩工况下施加S2获得的位移边界条件(本实施例的位移边界条件为10mm)，拉伸工况下对长臂接头段近燃料储箱侧施加沿燃料储箱径向的位移约束；在所有螺栓孔中心进行加载。

所述加载方式如下：

在每个螺栓孔中心沿燃料储箱轴向加载；

拉压总载荷分别为Fs＝150kN，Fc＝27.75kN。

S32：利用实验设计方法得到S1获得的各个设计参数对所有约束响应的帕累托图(Pareto图)，依据各个帕累托图中的设计参数的排序筛选出对约束响应影响最为显著的设计参数作为优化设计变量，达到缩减设计参数的目的。

本实施例中实验设计方法采用部分因子实验方法。

所述约束响应包括：质量、拉伸工况下复合材料最大Mises应变、复合材料强度失效因子、钛合金最大Mises应力、胶层最大剪切应力和压缩工况下复合材料X型支架结构的一阶屈曲模态特征值。

经过对帕累托图的分析统计，本实施例的所有设计参数对各个约束响应的影响排序如表5所示。在10个设计参数中选择对约束响应影响最为显著的8个设计参数来作为优化设计变量，分别是：过渡段长度K、复合材料厚度T₀和T₁、凸起高度P和宽度J、增强件厚度T_m、交叉段圆弧直径D₆和D₈。

S4：基于S1～S3获得的参数化几何模型、位移边界条件和优化设计变量，以重量最轻为目标建立复合材料X型支架优化设计模型，利用响应面法对复合材料X型支架的优化设计变量进行优化，从而获得满足约束条件的复合材料X型支架优化设计参数；

所述优化设计模型包括优化算法和有限元模型两部分，所述优化算法为响应面法，所述有限元模型为与S3一样的有限元模型；

所述约束条件包括应变约束条件、强度约束条件和压缩稳定性约束条件。

应变约束条件为拉伸工况下的复合材料应变值小于4000με；

强度约束条件包括接头段钛合金加强片的最大应力小于800MPa；复合材料强度失效因子小于1；粘接胶层的剪切强度小于20MPa；

压缩稳定性约束条件是指复合材料X型支架在压缩工况下的一阶屈曲模态特征值大于1。

S4具体为：

S41：基于S1～S3获得的参数化几何模型、位移边界条件和筛选后的设计参数，以重量最轻为目标建立复合材料X型支架优化设计模型；

S42：根据经验对S3筛选出的优化设计变量设定初始值和变量范围，如表6所示；在设定的设计参数初始值下，单个复合材料X型支架结构的质量为21.940kg。

S43：基于S3建立的有限元模型，利用响应面法，在给定的约束条件下获得重量最轻的复合材料X型支架结构。经过优化设计模型优化后的各个优化设计变量优化值如表6所示，优化后的约束响应值如表7所示，优化获得的单个复合材料X型支架结构的质量为12.5kg。该复合材料X型支架结构经优化获得的结构质量较初始质量降低43％。

S5：对S4获得的优化设计参数进行校核分析，当利用优化设计参数构建的复合材料X型支架结构满足强度设计要求时，输出S4的设计结果。

具体为：

S51：选择复合材料的铺层方式，基于所述铺层方式和S4获得的优化设计参数建立含有铺层信息的复合材料X型支架结构有限元模型；

在校核分析阶段，所使用的有限元模型为基于复合材料铺层的模型(不再如S31中为了提高计算效率，将所述有限元模型中复合材料属性简化为面内各向同性的材料属性)。该有限元模型含有铺层方向、铺层厚度等铺层信息，模型中的所有铺层均为T800/Epoxy平纹织物复合材料。为了减小铺层不对称引起的力学性能差异，所采用的铺层方式为沿支架两臂交替铺层的方式，即奇数(偶数)层的平纹布经向沿左臂(右臂)轴线方向。

S52：利用S51建立的所述有限元模型，基于S3所述边界条件，对复合材料X型支架结构进行静力分析，校核优化设计获得的复合材料X型支架结构是否满足强度设计要求；满足强度设计要求时，则输出S4的设计结果；不满足强度设计要求时，重返S4，调整约束条件重新对优化设计变量进行优化。

校核结果如表8所示，复合材料的最大铺层失效因子和层间失效因子均小于1，且钛合金最大Mises应力和胶层最大剪切应力均小于设计阈值，这说明优化设计获得的复合材料X型支架满足强度设计要求；结构的一阶屈曲特征值大于1，说明优化设计获得的复合材料X型支架满足压缩稳定性要求。

本实施例提供的用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构设计方法设计得到的复合材料X型支架结构如图12所示，包括一体成型的内壳体81与外壳体82、一体成型的中间板9、增强件5三部分；

所述内壳体81、外壳体82和中间板9均由主体和接头段1两部分组成；

所述主体包括过渡段2、等直段3和交叉段4；

所述内壳体81和外壳体82形貌一致，均为X型帽形壳体。

本实施例还提出一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计系统，包括处理器和储存器，所述存储器中存储有用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计程序，在所述处理器运行所述用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计程序时执行上述所述方法的步骤。

表1 接头段尺寸设计参数

表2 本实施例中复合材料X型支架结构设计参数

表3 步骤S2建立的含燃料储箱和复合材料X型支架结构的有限元模型中梁单元截面的一组典型初始值

表4 T800/Epoxy平纹织物复合材料力学性能

表5 设计参数对约束响应的影响排序

表6 步骤S4中设计参数初始值、变量范围和优化解

表7 步骤S4中的优化约束响应值

表8 校核分析结果

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于复合材料X型支架的结构特征，提取复合材料X型支架的设计参数，根据结构特征和设计参数建立复合材料X型支架结构的参数化几何模型；

S2：基于S1获得的结构特征及设计参数，建立含燃料储箱和复合材料X型支架的有限元模型；基于所述有限元模型分析获得复合材料X型支架受燃料储箱变形影响长臂接头段相对短臂接头段沿燃料储箱径向的相对变形量；基于所述相对变形量及安全系数，确定复合材料X型支架结构优化设计的接头段位移边界条件；

S3：基于S1获得的参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型，利用实验设计方法来确定S1获得的各个设计参数对约束响应的影响程度，从而对设计参数进行筛选，获得所需的优化设计变量；

S4：基于S1～S3获得的参数化几何模型、位移边界条件和优化设计变量，以重量最轻为目标建立复合材料X型支架优化设计模型，利用响应面法对复合材料X型支架的优化设计变量进行优化，从而获得满足约束条件的复合材料X型支架优化设计参数；

S5：对S4获得的优化设计参数进行校核分析，当利用优化设计参数构建的复合材料X型支架结构满足强度设计要求时，输出S4的设计结果。

2.如权利要求1所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述S1具体为：

S11：根据复合材料X型支架的结构特征，将所述复合材料X型支架分解为四个部分：接头段、过渡段、等直段和交叉段；

S12：根据所述接头段、过渡段、等直段和交叉段的结构特征，分别提取设计参数；

S13：基于S12获得的设计参数建立复合材料X型支架的参数化几何模型。

3.如权利要求2所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述设计参数主要包括：

接头段设计参数，包括增强件厚度T_m；

过渡段设计参数，包括过渡段轴线长度K；

等直段设计参数，包括凸起宽度J、凸起高度P、帽形壳体厚度T₁和中间层厚度T₀；

交叉段设计参数，包括圆角直径D₅、D₆、D₇和D₈。

4.如权利要求1所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述S3具体为：

S31：基于S1获得的参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型；将所述有限元模型中复合材料属性简化为面内各向同性的材料属性；

S32：利用实验设计方法得到S1获得的各个设计参数对所有约束响应的帕累托图，依据各个帕累托图中的设计参数的排序筛选出对约束响应影响最为显著的设计参数作为优化设计变量。

5.如权利要求4所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述有限元模型的主要边界条件包括：

复合材料X型支架左、右对称约束；

短臂接头段，对所有用于与燃料储箱端框连接的螺栓孔施加6个自由度的全约束；对短臂接头段近燃料储箱侧施加沿燃料储箱径向的位移约束；

长臂接头段，压缩工况下施加S2获得的位移边界条件，拉伸工况下对长臂接头段近燃料储箱侧施加沿燃料储箱径向的位移约束；在所有螺栓孔中心进行加载。

6.如权利要求5所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述加载方式如下：

在每个螺栓孔中心沿燃料储箱轴向加载；

7.如权利要求4所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述约束响应包括：质量、拉伸工况下复合材料最大Mises应变、复合材料强度失效因子、钛合金最大Mises应力、胶层最大剪切应力和压缩工况下复合材料X型支架结构的一阶屈曲模态特征值。

8.如权利要求1所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述S4具体为：

S41：基于S1～S3获得的参数化几何模型、位移边界条件和筛选后的设计参数，以重量最轻为目标建立复合材料X型支架优化设计模型；

S42：根据经验对S3筛选出的优化设计变量设定初始值和变量范围；

S43：基于S3建立的有限元模型，利用响应面法，在给定的约束条件下获得重量最轻的复合材料X型支架结构。

9.如权利要求1所述的一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计方法，其特征在于，所述S5具体为：

S51：选择复合材料的铺层方式，基于所述铺层方式和S4获得的优化设计参数建立含有铺层信息的复合材料X型支架结构有限元模型；

S52：利用S51建立的所述有限元模型，基于S3所述边界条件，对复合材料X型支架结构进行静力分析，校核优化设计获得的复合材料X型支架结构是否满足强度设计要求；满足强度设计要求时，则输出S4的设计结果；不满足强度设计要求时，重返S4，调整约束条件重新对优化设计变量进行优化。

10.一种用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构设计系统，其特征在于，包括处理器和储存器，所述存储器中存储有用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计程序，在所述处理器运行所述用于燃料储箱连接的复合材料X型支架结构优化设计程序时执行所述权利要求1～9任一项所述方法的步骤。

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