CN112668113A - 一种复合材料多尺度防热优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合材料多尺度防热优化方法，包括以下步骤：步骤1、根据设计变量建立待优化复合材料的有限元模型包括细观有限元传热分析模型、宏观有限元传热分析模型以及胞体扩展模型；步骤2、对建立的细观有限元传热分析模型进行细观传热分析，得到等效热物性参数；通过胞体扩展模型将细观传热分析获得的等效热物性参数传入宏观有限元传热分析模型进行宏观传热分析；传热分析中，通过调整设计变量对细观传热分析模型和宏观传热分析模型进行优化，若优化后目标满足约束条件则结束优化，输出传热分析结果；若不满足约束条件，重新调整有限元模型的设计变量，反复迭代直至输出传热分析结果。采用本发明的方案可以以更有效降低温度同时引入优化算法和网格自由变形技术有效提高计算效率。

Description

一种复合材料多尺度防热优化方法
技术领域
本发明涉及热科学领域，特别涉及一种复合材料多尺度防热优化方法。
背景技术
复合材料被认为是航天航空领域最具有发展前途的高温材料，已广泛应用于飞行器的各个部件。但长时间持续加热环境，会使得复合材料/结构的面临着热安全隐患，难以保证极端环境下工作的安全性和可靠性。目前，可以通过结构设计吸收或耗散热量的方式去实现结构防热，同时调整材料的物性参数、几何尺寸、安装位置等去实现复合材料结构防热优化的需求。但是目前大部分防热优化方法仅考虑了宏观尺寸，未考虑基于材料多尺度设计(微观到宏观再到结构)的协同设计理念，难以适应日趋复杂的极端工况。因此，有必要研究复合材料/结构的多尺度防热优化问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种复合材料多尺度防热优化方法，兼顾材料与结构一体化传热性能，可应用于降低复合材料构件存在热安全隐患区域的温度。
本发明采用的技术方案如下：一种复合材料多尺度防热优化方法，包括以下步骤：
步骤1、根据设计变量建立待优化复合材料的有限元模型包括细观有限元传热分析模型、宏观有限元传热分析模型以及胞体扩展模型；
步骤2、对建立的细观有限元传热分析模型进行细观传热分析，得到等效热物性参数通过胞体扩展模型将细观传热分析获得的等效热物性参数传入宏观有限元传热分析模型进行宏观传热分析；传热分析中，通过调整设计变量对细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型进行优化，若优化后目标满足约束条件则结束优化，输出传热分析结果；若不满足约束条件，重新调整有限元模型的设计变量，反复迭代直至输出传热分析结果。
进一步的，所述步骤1的具体方法包括：根据设计变量建立细观模型及宏观模型，并对分别对细观模型和宏观模型进行有限元网格划分，得到用于传热分析的细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型；所述细观模型为单胞模型，宏观模型为复合材料构件模型；同时针对细观模型建立胞体扩展模型，用于将细观传热特性应用于宏观热物性的预测。
进一步的，所述等效热物性参数包括等效导热系数、等效密度、等效比热，具体计算方法为：
等效导热系数：
Figure BDA0002851057550000021
等效密度：
Figure BDA0002851057550000022
等效比热：
Figure BDA0002851057550000023
其中，Ai是第i个单位垂直于加热方向表面的表面积；qi是通过该面积的热流密度；dc为传热距离；Tup是上表面温度；Tdown是下表面温度；V是体积；ρ是密度；c是比热容；下标“eff”表示等效。
进一步的，优化目标及约束条件为：
minf＝f(Tempji)
Figure BDA0002851057550000024
其中min为目标函数，即复合材料构件某区域的最大温度；S.t为约束条件，复合材料温度Tempji需小于等于该材料的许用最大温度Tjc，控制点集的位移值Li小于等于许可的位移值Si；j为构成构件的复合材料种类,i为不同时刻。
进一步的，在调整有限元模型设计变量后，采用网格自由变形技术实现有限元模型的网格自动变形。
进一步的，所述变量包括用于表征材料细观各组分/分布对材料宏观传热特性的影响以及宏观尺寸变化对结构传热特性的影响的相关变量。
进一步的，调整设计变量的方法为：全局优化方法中的进化方法，对设计变量施加正态分布的随机值来改变设计变量。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：相比单一尺度而言，该优化方法考虑了复合材料从微观到宏观的多尺度传热特性，有效兼顾了材料与结构一体化传热性能优化，可应用于降低复合材料构件存在热安全隐患区域的温度。同时引入网格自由变形技术和优化算法有效提高计算效率，可得到全局最优结果。
附图说明
图1为本发明的多尺度防热优化方法流程图。
图2为本发明一实施例中的单胞模型示意图。
图3为本发明一实施例中的胞体扩展模型示意图。
图4为本发明一实施例中的宏观模型示意图。
图5为本发明一实施例中的细观、宏观和跨尺度优化后分别的温度响应结果示意图。
图6为本发明一实施例中的基于多尺度优化后的材料细观微结构示意图。
图7为本发明一实施例中的基于多尺度优化后的材料宏观轮廓示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的是为了提出一种复合材料多尺度防热优化方法，兼顾材料与结构一体化传热性能，可应用于降低复合材料构件存在热安全隐患区域的温度，具体方案如下：
如图1，一种复合材料多尺度防热优化方法，包括以下步骤：
步骤1、根据设计变量建立待优化复合材料的有限元模型包括细观有限元传热分析模型、宏观有限元传热分析模型以及胞体扩展模型；
步骤2、对建立的细观有限元传热分析模型进行细观传热分析，得到等效热物性参数；通过胞体扩展模型将细观传热分析获得的等效热物性参数传入宏观有限元传热分析模型进行宏观传热分析；传热分析中，通过调整设计变量对细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型进行优化，若优化后目标满足约束条件则结束优化，输出传热分析结果；若不满足约束条件，重新调整有限元模型的设计变量，反复迭代直至输出传热分析结果。
本实施例中以飞行器尖锐前缘为例，用于降低飞行器尖锐前缘复合材料/结构的驻点温度，进行具体阐述：
其中，所述步骤1的具体方法包括：根据设计变量建立细观模型及宏观模型，并对分别对细观模型和宏观模型进行有限元网格划分，得到用于传热分析的细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型；如图2所示，所述细观模型为单胞模型；如图3所示，宏观模型为飞行器尖锐前缘结构，外层为各项异性碳布叠层穿刺复合材料，内部区域为各项同性的高导材料；同时为了将细观传热特性的研究应用于宏观热物性的预测，建立胞体扩展模型，如图4所示。
本实施例中，传热分析分析主要对象为各项异性碳布叠层穿刺复合材料。
步骤2中，所述等效热物性参数包括等效导热系数、等效密度、等效比热，具体计算方法为：
等效导热系数：
Figure BDA0002851057550000041
等效密度：
Figure BDA0002851057550000042
等效比热：
Figure BDA0002851057550000043
其中，Ai是第i个单位垂直于加热方向表面的表面积；qi是通过该面积的热流密度；dc为传热距离；Tup是上表面温度；Tdown是下表面温度；V是体积；ρ是密度；c是比热容；下标“eff”表示等效。
本实施例中，优化目标及约束条件为为：
min f＝f(Temp1i)
Figure BDA0002851057550000044
其中min为目标函数，即尖锐前缘结构驻点的最大温度；S.t为约束条件，碳布叠层穿刺复合材料温度Temp1i需小于等于该材料的许用最大温度T1c，同理高导材料温度Temp2i需小于等于该材料的最大许用温度T2c；控制点集的位移值Li小于等于许可的位移值Si；i为不同时刻。
在优化迭代过程中，如果不满足温度要求，需要重新优化有限元模型设计变量，包括重新设计用于表征材料细观各组分/分布等对材料宏观传热特性的影响以及宏观尺寸变化对结构传热特性的影响的相关变量，再重新进行传热分析；所述变量包括用于表征材料细观各组分/分布对材料宏观传热特性的影响以及宏观尺寸变化对结构传热特性的影响的相关变量。
在调整设计变量过程中，采用全局优化方法中的进化方法，对设计变量施加正态分布的随机值来改变设计变量以获取一个全局较优的结果；在调整有限元模型设计变量后，采用网格自由变形技术实现有限元模型复杂外形或承受非均匀载荷时的网格自动变形。
本实施例中，研究对象为典型的尖锐前缘结构，计算工具采用自主研制的气动力/热/结构多场耦合分析软件平台CAPTER传热分析模块，对比分析了初始模型与细观优化、宏观优化和采用本专利方法的多尺度优化的前缘温度场响应特性，如图5，结果表明相比单一尺度优化，多尺度优化极大降低了驻点温度，数值上约是细观和宏观优化结果之和。图6、图7为跨尺度优化后的材料细观微结构和宏观轮廓，通过增加碳布穿刺材料z方向组分和高导材料z方向尺寸设计变量，实现有效增强碳布穿刺材料z方向的导热系数和高导材料x方向导热性能，兼顾了尖锐前缘材料细观和结构宏观两个层次的传热性能优化。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (7)

1.一种复合材料多尺度防热优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据设计变量建立待优化复合材料的有限元模型包括细观有限元传热分析模型、宏观有限元传热分析模型以及胞体扩展模型；
步骤2、对建立的细观有限元传热分析模型进行细观传热分析，得到等效热物性参数；通过胞体扩展模型将细观传热分析获得的等效热物性参数传入宏观有限元传热分析模型进行宏观传热分析；传热分析中，通过调整设计变量对细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型进行优化，若优化后目标满足约束条件则结束优化，输出传热分析结果；若不满足约束条件，重新调整有限元模型的设计变量，反复迭代直至输出传热分析结果。
2.根据权利要求1所述的复合材料多尺度防热优化方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法包括：根据设计变量建立细观模型及宏观模型，并对分别对细观模型和宏观模型进行有限元网格划分，得到用于传热分析的细观有限元传热分析模型和宏观有限元传热分析模型；所述细观模型为单胞模型，宏观模型为复合材料构件模型；同时针对细观模型建立胞体扩展模型，用于将细观传热特性应用于宏观热物性的预测。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料多尺度防热优化方法，其特征在于，所述等效热物性参数包括等效导热系数、等效密度、等效比热，具体计算方法为：
等效导热系数：
Figure FDA0002851057540000011
等效密度：
Figure FDA0002851057540000012
等效比热：
Figure FDA0002851057540000013
其中，Ai是第i个单位垂直于加热方向表面的表面积；qi是通过该面积的热流密度；dc为传热距离；Tup是上表面温度；Tdown是下表面温度；V是体积；ρ是密度；c是比热容；下标“eff”表示等效。
4.根据权利要求1所述的复合材料多尺度防热优化方法，其特征在于，优化目标及约束条件为：
min f＝f(Tempji)
Figure FDA0002851057540000021
其中min为目标函数，即复合材料构件某区域的最大温度；S.t为约束条件，复合材料温度Tempji需小于等于该材料的许用最大温度Tjc，控制点集的位移值Li小于等于许可的位移值Si；j为构成构件的复合材料种类,i为不同时刻。
5.根据权利要求1所述的复合材料多尺度防热优化方法，其特征在于，在调整有限元模型设计变量后，采用网格自由变形技术实现有限元模型的网格自动变形。
6.根据权利要求1所述的复合材料多尺度防热优化方法，其特征在于，所述设计变量包括用于表征材料细观各组分/分布对材料宏观传热特性的影响以及宏观尺寸变化对结构传热特性的影响的相关变量。
7.根据权利要求6所述的复合材料多尺度防热优化方法，其特征在于，调整设计变量的方法为：全局优化方法中的进化方法，对设计变量施加正态分布的随机值来改变设计变量。
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