一種針對(duì)高超聲速舵面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)高超聲速舵面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方法，本方法考慮了高超聲速舵面熱氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)中的不確定因素，根據(jù)頂點(diǎn)法來(lái)建立不確定輸入?yún)?shù)的樣本空間?？紤]氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)舵面固有屬性產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)雙向流固耦合方法來(lái)準(zhǔn)確模擬舵面在陣風(fēng)載荷作用下的動(dòng)響應(yīng)歷程。在此基礎(chǔ)上，引入可靠性指標(biāo)，根據(jù)分析結(jié)果的上下界，對(duì)舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析。基于上述過(guò)程，可以以舵面結(jié)構(gòu)重量為優(yōu)化目標(biāo)，以舵面最大位移及根部最大約束力、約束力矩的可靠性為約束條件，實(shí)現(xiàn)高超聲速舵面的非概率氣動(dòng)彈性可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。本方法在保證高超聲速舵面結(jié)構(gòu)高可靠性的前提下，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，為高超聲速舵面的熱氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)提供了一種新思路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種針對(duì)高超聲速舵面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及高超聲速舵面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法領(lǐng)域，特別涉及一種高保真度雙向流 固耦合分析與非概率可靠性分析相結(jié)合的高超聲速舵面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高超聲速舵面作為一種彈性結(jié)構(gòu)，其在陣風(fēng)載荷作用下表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是 在氣動(dòng)力、慣性力和彈性力的相互影響下產(chǎn)生的，這種耦合效應(yīng)在舵面結(jié)構(gòu)的熱氣動(dòng)彈性 響應(yīng)分析中不可忽視。針對(duì)這種氣動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值求解算法可分為兩種:單向流 固耦合方法和雙向流固耦合方法。單向流固耦合分析是指先求解出整個(gè)分析過(guò)程中氣動(dòng)力 的變化情況，然后將氣動(dòng)力加載到結(jié)構(gòu)上計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程。這種方法忽略了結(jié)構(gòu) 變形對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響。而雙向流固耦合分析不僅要考慮氣動(dòng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，同時(shí) 還要考慮結(jié)構(gòu)變形反過(guò)來(lái)對(duì)氣動(dòng)力產(chǎn)生的影響。雙向流固耦合分析方法還可進(jìn)一步分為兩 類(lèi):強(qiáng)耦合分析方法和弱耦合分析方法。其中，強(qiáng)耦合氣動(dòng)彈性計(jì)算將計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)和計(jì)算 流體力學(xué)的控制方程分別寫(xiě)到獨(dú)立模塊中，但兩類(lèi)方程在一個(gè)可執(zhí)行程序中進(jìn)行求解，實(shí) 現(xiàn)氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)耦合的精確數(shù)值分析。但是該方法自由度大，對(duì)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)理論要求較高，且在 計(jì)算效率、應(yīng)用條件等方面存在較大的局限。弱耦合氣動(dòng)彈性計(jì)算則是將計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)和 計(jì)算流體力學(xué)作為單學(xué)科可執(zhí)行程序相互獨(dú)立，通過(guò)編制結(jié)構(gòu)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的交互 分析。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、計(jì)算高效，在工程實(shí)際中具有較大的優(yōu)勢(shì)。
[0003] 另一方面，在常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常結(jié)構(gòu)使用環(huán)境、材料屬性參數(shù)以及設(shè)計(jì) 要求等均被視為確定性的。這樣雖然在一定程度上簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，降低了工作量， 然而忽略了不確定性因素所產(chǎn)生的影響，因此通過(guò)確定性設(shè)計(jì)方法得到的結(jié)果在實(shí)際使用 過(guò)程中可能出現(xiàn)許多問(wèn)題。隨著不確定性結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的成熟，可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的概念逐 漸替代了傳統(tǒng)的確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，成為未來(lái)工程設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。
[0004] 長(zhǎng)期以來(lái)，概率可靠性模型和模糊可靠性模型在工程中處理不確定因素方面得到 廣泛應(yīng)用，這兩種模型分別采用概率論和模糊理論來(lái)描述不確定性。這兩種可靠性模型的 優(yōu)勢(shì)在工程應(yīng)用中得到了體現(xiàn)，然而它們所表現(xiàn)出來(lái)的缺陷也是不同忽視的：兩種模型都 需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以確定模型的概率分布和隸屬函數(shù);兩種模型的計(jì)算量 都很大;對(duì)概率可靠性模型而言，對(duì)參數(shù)很敏感，分布函數(shù)選取的小誤差可能導(dǎo)致可靠性分 析出現(xiàn)大偏差;對(duì)模糊可靠性模型，主觀性較強(qiáng)且理論不完善，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可靠，一定 程度上限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。由于工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中廣泛存在隨機(jī)、模糊、未知然而 有界等多種不確定性信息，同時(shí)結(jié)構(gòu)樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常常比較缺，因此以上兩種模型往往不 能很好地從概率的角度描述不確定性并度量系統(tǒng)的可靠程度。
[0005] 在工程實(shí)際中，相對(duì)精確統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不確定性信息的不確定界限更容易確定，此時(shí) 采用非概率可靠性模型將更加適用。非概率可靠性方法僅僅通過(guò)獲取不確定參數(shù)界限而不 需要深究不確定性?xún)?nèi)涵，便可完成結(jié)構(gòu)安全性能的評(píng)判，對(duì)于未來(lái)不確定性結(jié)構(gòu)分析與設(shè) 計(jì)理念的更新，具有重要的促進(jìn)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種針對(duì)高超聲速舵面 的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法考慮了氣動(dòng)加熱對(duì)結(jié)構(gòu)屬性產(chǎn)生的影響 以及流場(chǎng)與舵面結(jié)構(gòu)之間的耦合作用，同時(shí)考慮了材料參數(shù)的不確定性對(duì)舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 影響，在保證高可靠性的前提下得到了舵面的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用技術(shù)方案為:一種針對(duì)高超聲速舵面的非概率熱氣 動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0008] (1)選取舵面結(jié)構(gòu)梁、框尺寸為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，記為X=(X1， X2, ···，&)。一般而言， 梁、框的尺寸被限定在一定范圍內(nèi)，即Xi e [Ximin ,Ximax]，i = l，…，n，Ximin為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量 所能取到的最小值，Xlmax為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量所能取到的最大值，一般依靠工程經(jīng)驗(yàn)以及工程 造價(jià)條件給定。設(shè)置初始設(shè)計(jì)變量，每一組設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)一種設(shè)計(jì)方案。
[0009] (2)考慮結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性的不確定性，結(jié)構(gòu)尺寸Xl(i = l，…，η)、彈性模量E、 密度P和泊松比υ相對(duì)中心值均存在一定的偏差，中心值分別記為<(〖=1，:…λΕ'ρΙΡ#， 最大倌和最小倌可表示為：
[0010
(夕
[0011] 其中，$為Xi的區(qū)間上下限、f為E的上下限，的上下限，為υ的上 下限，_Κ.、..&、βρ、Pu分別為Xi、E、P、υ的偏差。
[0012] 通過(guò)區(qū)間不確定分析方法中的頂點(diǎn)法獲取不確定區(qū)間輸入?yún)?shù)的樣本空間，樣本 點(diǎn)為各輸入?yún)?shù)上、下限的組合，樣本點(diǎn)數(shù)為2η+3次。
[0013] (3)將所選設(shè)計(jì)變量作為幾何建模時(shí)的特征參數(shù)，當(dāng)設(shè)計(jì)變量在給定范圍內(nèi)變化 時(shí)，針對(duì)每個(gè)樣本點(diǎn)均能實(shí)現(xiàn)舵面幾何模型的參數(shù)化建立，蒙皮采用面建模，梁框采用實(shí)體 建模?；趲缀螀?shù)化模型，實(shí)現(xiàn)舵面有限元模型的自動(dòng)建立，自動(dòng)更新有限元網(wǎng)格劃分、 材料屬性賦值和邊界條件設(shè)置;同時(shí)根據(jù)舵面氣動(dòng)外形的變化，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。
[0014] (4)根據(jù)熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行高超聲速舵面結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)分析。
[0015] (5)基于分析得到的舵面溫度場(chǎng)進(jìn)行舵面結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析。
[0016] (6)根據(jù)輸入的陣風(fēng)模型參數(shù)，編寫(xiě)Fluent軟件的UDF文件。
[0017] (7)利用Fluent軟件對(duì)進(jìn)行流場(chǎng)分析，并提取出流場(chǎng)與舵面結(jié)構(gòu)交界面上的壓強(qiáng) 分布。
[0018] (8)將流場(chǎng)與舵面結(jié)構(gòu)交界面上的壓強(qiáng)分布插值到舵面有限元模型蒙皮的結(jié)點(diǎn)上 作為氣動(dòng)力輸入，將步驟(5)所得到的熱應(yīng)力視為預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，得到舵面 結(jié)構(gòu)在當(dāng)前時(shí)刻下結(jié)構(gòu)的變形情況，提取結(jié)構(gòu)中最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約 束力矩M(t)。
[0019] (9)判斷當(dāng)前時(shí)刻是否已經(jīng)達(dá)到結(jié)束時(shí)間，即是否滿(mǎn)足：
[0020] t > tend (4)
[0021] 若不滿(mǎn)足，則根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻下舵面的變形情況，基于彈簧光順?lè)ê途植烤W(wǎng)格重構(gòu) 法更新流場(chǎng)網(wǎng)格，然后時(shí)間步加1，轉(zhuǎn)到步驟(7)進(jìn)行下一時(shí)刻的流場(chǎng)分析;若滿(mǎn)足，則認(rèn)為 本次熱氣動(dòng)彈性分析已經(jīng)結(jié)束，輸出結(jié)構(gòu)中最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約束力 矩M( t)的響應(yīng)歷程，并確定各響應(yīng)歷程中的最大值dmax，F(xiàn)max，Mmax。
[0022] (10)重復(fù)步驟(4)~(9)，完成樣本空間中所有樣本點(diǎn)的熱氣動(dòng)彈性分析，根據(jù)每 個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約束力矩M(t)的響應(yīng)歷程，確 定最大位移d max、最大約束力FmjP最大約束力矩Mmax的區(qū)間范圍，i5丄，Mi ax。
[0023] (11)給定最大位移的許用范圍、最大約束力的許用范圍校笛和最大約束力矩 的許用范圍、，引入新型非概率可靠性指標(biāo)，計(jì)算得到最大位移可靠度Spix &?^^和 最大約束力的可靠度^和最大約束力矩的可靠度MMiax ，實(shí)現(xiàn)約束條 件的非概率可靠性分析。
[0024] (12)以機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量〃，· · V<)為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)最大位移和最大約束力、約 束力矩的可靠性為約束條件，通過(guò)常規(guī)單學(xué)科優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)高超聲速舵面的非概率熱氣動(dòng) 彈性可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：
[0026] 本發(fā)明提供了高超聲速舵面熱氣動(dòng)彈性可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的新思路，在氣動(dòng)彈性響 應(yīng)分析中考慮了高馬赫數(shù)帶來(lái)的氣動(dòng)加熱對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響；同時(shí)考慮了流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)之間 的相互作用，實(shí)現(xiàn)雙向流固耦合分析來(lái)精確地模擬舵面在陣風(fēng)作用下的響應(yīng)歷程;另外引 入了非概率不確定性，考慮了結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)固有不確定性對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，從而 實(shí)現(xiàn)了尚超聲速航面在尚可靠性如提下的精細(xì)化設(shè)計(jì)，大大提尚航面性能和安全性。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為舵面幾何模型示意圖；
[0028]圖2為雙向流固耦合示意圖；
[0029] 圖3為"Ι-cos"陣風(fēng)模型垂直風(fēng)速變化曲線；
[0030] 圖4為本發(fā)明中引入的非概率可靠性指標(biāo)示意圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 如圖4所示，本發(fā)明提出了一種針對(duì)高超聲速舵面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè) 計(jì)方法，包括以下步驟：
[0033] (1)選取舵面結(jié)構(gòu)梁、框尺寸為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，記為1=(幻，^，"_，&)。一般而言， 梁、框的尺寸被限定在一定范圍內(nèi)，即XiG [Ximin,Ximax]，i = l，···，n，一般依靠工程經(jīng)驗(yàn)以及 工程造價(jià)條件給定。設(shè)置初始設(shè)計(jì)變量，每一組設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)一種設(shè)計(jì)方案。
[0034] (2)本實(shí)例中考慮材料彈性模量、密度和泊松比的不確定性，其中值分別為= 118000MPa，Pc = 4450kg/m3，υc = 0·3，它們所屬區(qū)間分別為Ee[106200，129800]MPa，pe [4005,4895]1^/1113,〇三[0.27,0.33]。因此，樣本空間中的樣本點(diǎn)如下所示：
[0035]表1所設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)
[0038] (3)利用CATIA的參數(shù)化建模功能，將所選設(shè)計(jì)變量作為特征參數(shù)，建立舵面的幾 何參數(shù)化模型，蒙皮采用平面建模，梁框采用實(shí)體建模。采用以幾何模型驅(qū)動(dòng)為主的有限元 模型參數(shù)化建模方法，其充分發(fā)揮既成的CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)功能方面的優(yōu)勢(shì)，將CAD中的幾何 模型與CAE模型中的前處理模型完全關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)舵面有限元模型的參數(shù)化;設(shè)置流場(chǎng)網(wǎng) 格的劃分方式，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)網(wǎng)格隨舵面氣動(dòng)外形變化的自動(dòng)更新。
[0039] (4)根據(jù)熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行高超聲速舵面結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)分析。
[0040] (5)基于分析得到的舵面溫度場(chǎng)進(jìn)行舵面結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析。
[0041] (6)根據(jù)輸入的陣風(fēng)模型參數(shù)，編寫(xiě)Fluent軟件的UDF文件。這里采用"Ι-cos"陣風(fēng) 模型來(lái)進(jìn)行分析，其垂直風(fēng)速的公式如下：
[0042]
(5)
[0043] 其中Wg代表陣風(fēng)的峰值，Tg代表陣風(fēng)作用時(shí)間。在本實(shí)例中陣風(fēng)峰值設(shè)置為60m/s， 陣風(fēng)作用時(shí)間設(shè)置為〇. 〇5s，陣風(fēng)垂直風(fēng)速變化如圖2所示。
[0044] (7)利用Fluent軟件對(duì)進(jìn)行流場(chǎng)分析，并提取出流場(chǎng)與舵面結(jié)構(gòu)交界面上的壓強(qiáng) 分布。
[0045] (8)將流場(chǎng)與舵面結(jié)構(gòu)交界面上的壓強(qiáng)分布插值到舵面有限元模型蒙皮的結(jié)點(diǎn)上 作為氣動(dòng)力輸入，將步驟(5)所得到的熱應(yīng)力視為預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，得到舵面 結(jié)構(gòu)在當(dāng)前時(shí)刻下結(jié)構(gòu)的變形情況，提取結(jié)構(gòu)中最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約 束力矩M(t)。
[0046] (9)判斷當(dāng)前時(shí)刻是否已經(jīng)達(dá)到結(jié)束時(shí)間，即是否滿(mǎn)足：
[0047] t > tend (6)
[0048] 若不滿(mǎn)足，則根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻下舵面的變形情況，基于彈簧光順?lè)ê途植烤W(wǎng)格重構(gòu) 法更新流場(chǎng)網(wǎng)格，然后時(shí)間步加1，轉(zhuǎn)到步驟(7)進(jìn)行下一時(shí)刻的流場(chǎng)分析;若滿(mǎn)足，則認(rèn)為 本次熱氣動(dòng)彈性分析已經(jīng)結(jié)束，輸出結(jié)構(gòu)中最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約束力 矩M(t)的響應(yīng)歷程，并確定各響應(yīng)歷程中的最大值d max，F(xiàn)max，Mmax。在本實(shí)例中主要分析約束 力在z方向上的分量以及約束力矩在X和y方向上的分量，X沿舵面弦向，y沿舵面展向，z向垂 直舵面向上。每次熱氣動(dòng)彈性分析輸出dmax，F(xiàn)z, max，Mx,max，My, max。
[0049] (10)重復(fù)步驟(4)~(9)，完成樣本空間中所有樣本點(diǎn)的熱氣動(dòng)彈性分析，根據(jù)每 個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大位移d(t)、根部約束力Fz(t)和根部約束力矩Mx(t)，M y(t)的響應(yīng) 歷程，約束力和約束力矩均取其絕對(duì)值，確定最大位移dmax、最大約束力Fz,max和最大約束力 矩Mx,max，My,max如下所： 「00501 豐9夂垤*占公訴姑里
[0054] (11)給出最大位移的許用范圍< ?1 = [0.0028,0.()03]、最大約束力的許用范圍 和最大約束力矩的許用范圍 <糊=[250,280]，Μ;湘=[二 圖4所示可靠性計(jì)算方法，可靠性定義為安全域和總面積之比：
[0055]
(8)
[0056] 計(jì)算最大位移可靠度、最大約束力的可靠度和最大約束力矩的可靠度如下所示：
[0057]
(9)
[0058] (12)以機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)最大位移和最大約束力、約 束力矩的可靠性不小于〇. 95為約束條件，通過(guò)常規(guī)單學(xué)科優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)高超聲速舵面的非 概率熱氣動(dòng)彈性可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化模型如下：
[0059]
(10)
[0060] 綜上所述，本發(fā)明提出了一種針對(duì)高超聲速舵面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì) 方法，在本發(fā)明中考慮了飛行器高超聲速飛行時(shí)帶來(lái)的氣動(dòng)加熱問(wèn)題，符合工程實(shí)際。此 外，為了準(zhǔn)確體現(xiàn)出大氣和舵面結(jié)構(gòu)之間的相互作用，基于現(xiàn)有的流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)分析程序，實(shí) 現(xiàn)了雙向流固耦合分析技術(shù)，精確模擬舵面在陣風(fēng)作用下的響應(yīng)歷程。相對(duì)于常規(guī)方法而 言，這種方法模擬出來(lái)的結(jié)果更加符合實(shí)際情況。在工程實(shí)際中試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往比較缺乏，相 較于概率密度分布函數(shù)和模糊隸屬函數(shù)，不確定性信息的不確定界限更容易確定。因此本 發(fā)明引入非概率區(qū)間理論，將結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性中存在的不確定因素用區(qū)間數(shù)來(lái)界定， 同時(shí)結(jié)合非概率不確定分析方法(頂點(diǎn)法)和前述流固耦合分析方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不確定因素的 傳播分析。另外，本發(fā)明中的非概率可靠性模型與概率可靠性模型具有相容性，物理意義更 加明確，后續(xù)基于該可靠性指標(biāo)得到的優(yōu)化結(jié)果更加具有可信度。
[0061] 以上僅是本發(fā)明的具體步驟，對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制；其可擴(kuò)展應(yīng) 用于高超聲速機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落 在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種針對(duì)高超聲速艙面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟 如下： (1) 選取艙面結(jié)構(gòu)梁、框尺寸為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，記為^=^1，^2，-，，^)，梁、框的尺寸被 限定在一定范圍內(nèi)，即XiE [Ximin，Ximax]，i = l，…，n，Ximin為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量所能取到的最小 值，Ximax為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量所能取到的最大值，設(shè)置初始設(shè)計(jì)變量，每一組設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)一 種設(shè)計(jì)方案； (2) 通過(guò)區(qū)間不確定分析方法中的頂點(diǎn)法獲取不確定區(qū)間輸入?yún)?shù)的樣本空間，該輸 入?yún)?shù)包括材料彈性模量、密度和泊松比； (3) 針對(duì)樣本空間中的樣本點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)艙面結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)化建模，并分別實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有限 元網(wǎng)格和流場(chǎng)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分； (4) 根據(jù)熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行高超聲速艙面結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)分析； (5) 基于分析得到的艙面溫度場(chǎng)進(jìn)行艙面結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析； (6) 根據(jù)輸入的陣風(fēng)模型參數(shù)，編寫(xiě)Fluent軟件的UDF文件； (7) 利用Fluent軟件對(duì)進(jìn)行流場(chǎng)分析，并提取出流場(chǎng)與艙面結(jié)構(gòu)交界面上的壓強(qiáng)分布； (8) 將流場(chǎng)與艙面結(jié)構(gòu)交界面上的壓強(qiáng)分布插值到艙面有限元模型蒙皮的結(jié)點(diǎn)上作為 氣動(dòng)力輸入，將步驟(5)所得到的熱應(yīng)力視為預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，得到艙面結(jié)構(gòu) 在當(dāng)前時(shí)刻下結(jié)構(gòu)的變形情況，提取結(jié)構(gòu)中最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約束力 矩M(t); (9) 判斷當(dāng)前時(shí)刻是否已經(jīng)達(dá)到結(jié)束時(shí)間，即是否滿(mǎn)足： t > tend(l) 若不滿(mǎn)足，則根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻下艙面的變形情況，基于彈黃光順?lè)ê途植烤W(wǎng)格重構(gòu)法更 新流場(chǎng)網(wǎng)格，然后時(shí)間步加1，轉(zhuǎn)到步驟(7)進(jìn)行下一時(shí)刻的流場(chǎng)分析;若滿(mǎn)足，則認(rèn)為本次 熱氣動(dòng)彈性分析已經(jīng)結(jié)束，輸出結(jié)構(gòu)中最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約束力矩Μ (t )的響應(yīng)歷程，并確定各響應(yīng)歷程中的最大值dmax，F(xiàn)max，Mmax ; (10) 重復(fù)步驟(4)~(9)，完成樣本空間中所有樣本點(diǎn)的熱氣動(dòng)彈性分析，根據(jù)每個(gè)樣 本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大位移d(t)、根部約束力F(t)和根部約束力矩M(t)的響應(yīng)歷程，確定最 大位移cUax、最大約束力Fmax和最大約束力矩Mmax的區(qū)間范圍端巧 (11) 給定最大位移的許用范圍式最大約束力的許用范圍巧is和最大約束力矩的許 用范圍，引入新型非概率可靠性指標(biāo)，計(jì)算得到最大位移可靠度和最大 約束力的可靠度G{巧和最大約束力矩的可靠度實(shí)現(xiàn)約束條件的 非概率可靠性分析； (12似機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量"!(.片，也…，為)為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)最大位移和最大約束力、約束力 矩的可靠性為約束條件，通過(guò)常規(guī)單學(xué)科優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)高超聲速艙面的非概率熱氣動(dòng)彈性 可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)高超聲速艙面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方 法，其特征在于:所述步驟（2)中，考慮結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性的不確定性，結(jié)構(gòu)尺寸xi(i = 1，…，η)、彈性模量E、密度P和泊松比U相對(duì)中屯、值均存在一定的偏差，中屯、值分別記為 .V; (/二I.'··./7)、Ε\ρΚ和υ%最大值和最小值可表示為；其中，兩、互1為XI的區(qū)間上下限、玄、g為Ε的上下限，ρ·、晝?yōu)棣钡纳舷孪?，為U的上下限， |·^;、陸、私、011分別為xi、E、p、u的偏差； 通過(guò)區(qū)間不確定分析方法中的頂點(diǎn)法獲取不確定區(qū)間輸入?yún)?shù)的樣本空間，樣本點(diǎn)為 各輸入?yún)?shù)上、下限的組合，樣本點(diǎn)數(shù)為次。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)高超聲速艙面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方 法，其特征在于:所述步驟(6巧lj(9)中，采用雙向流固禪合的高保真度方法來(lái)模擬艙面結(jié)構(gòu) 的熱氣動(dòng)彈性響應(yīng)，氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力來(lái)考慮，編寫(xiě)UDF文件來(lái)實(shí)現(xiàn)陣風(fēng)模 型的輸入。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)高超聲速艙面的非概率熱氣動(dòng)彈性可靠性設(shè)計(jì)方 法，其特征在于:所述步驟（11)中，通過(guò)引入體積法思想，定義艙面結(jié)構(gòu)熱氣動(dòng)彈性非概率 可靠性指標(biāo)，即，利用結(jié)構(gòu)安全域的體積和基本區(qū)間變量域的總體積之比作為結(jié)構(gòu)非概率 可靠性的度量，實(shí)現(xiàn)約束條件的非概率可靠性分析。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105844025SQ201610178820
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】張澤晟, 邱志平, 王曉軍, 陳賢佳, 王沖, 許孟輝, 李云龍, 胡永明, 仇翯辰
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)