本發(fā)明屬于航天艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)優(yōu)化、特別是結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在各類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要意義?；谙冗M(jìn)的有限元數(shù)值分析技術(shù)發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已經(jīng)在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)炔块T(mén)得到了成功的應(yīng)用，如在飛機(jī)等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)中獲得了可觀的優(yōu)化收益。

芯二級(jí)氫箱和二級(jí)氧箱之間通過(guò)桿系形式的二級(jí)箱間段連接，在試驗(yàn)或者飛行中主要受軸拉/軸壓載荷作用。對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)給出的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)過(guò)有限元分析表明：箱間段桿系上接頭在軸拉工況下發(fā)生三點(diǎn)彎曲，存在大面積的高應(yīng)力區(qū)，不滿足強(qiáng)度要求。為能得到滿足設(shè)計(jì)要求的上接頭結(jié)構(gòu)形式，必須通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的手段重新設(shè)計(jì)上接頭結(jié)構(gòu)形式，使得該區(qū)域應(yīng)力水平下降，達(dá)到預(yù)期性能指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法能夠提高桿系部段叉子單元的接頭集中載荷的擴(kuò)散效率，降低接頭應(yīng)力水平，解決箱間段叉子單元接頭的局部強(qiáng)度問(wèn)題。本發(fā)明適合于運(yùn)載火箭桿系部段叉子單元的接頭設(shè)計(jì)，有利于降低接頭應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)承載能力。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要包括二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的叉子單元上接頭拓?fù)鋬?yōu)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化兩部分，具體步驟如下：

第一步，對(duì)二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的叉子單元上接頭進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)給出的叉子單元上接頭結(jié)構(gòu)，在部段軸拉載荷作用下，結(jié)構(gòu)局部存在很高的集中應(yīng)力，不滿足強(qiáng)度要求。為能得到滿足設(shè)計(jì)要求的上接頭結(jié)構(gòu)形式，本發(fā)明通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的手段重新設(shè)計(jì)上接頭結(jié)構(gòu)形式，使得該區(qū)域應(yīng)力水平下降。

1.1)在HyperMesh中建立原二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的上接頭模型，用一塊實(shí)體的設(shè)計(jì)域包圍原有上接頭，建立上接頭拓?fù)鋬?yōu)化模型；并考慮螺栓的安裝需求，在設(shè)計(jì)域中預(yù)留出螺帽所占用的空間。

1.2)簡(jiǎn)化上接頭拓?fù)鋬?yōu)化模型，將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力，近似等效軸拉工況，完成上接頭拓?fù)鋬?yōu)化的模型建立工作；

1.3)因?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化只為尋找最佳的傳力路徑，據(jù)此給出概念設(shè)計(jì)，并不需要進(jìn)行十分精確的非線性分析，考慮到接頭的實(shí)際約束和受力情況，優(yōu)化模型予以簡(jiǎn)化，直接將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力來(lái)近似等效軸拉工況。

以上接頭拓?fù)鋬?yōu)化模型剛度最大(最小柔順性)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，給定結(jié)構(gòu)重量上限，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)域內(nèi)的材料密度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，在OptiStruct中定義求解二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的最小柔順性優(yōu)化問(wèn)題，得到上接頭拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，即二級(jí)箱間段接頭的具體參數(shù)。

依據(jù)OptiStruct軟件中拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的求解算法(SIMP)，構(gòu)造最小柔順性優(yōu)化問(wèn)題：

(a)目標(biāo)：二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的最小柔順性設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)整體剛度最大。

(b)約束：確定體積用量，作為約束上限。所述的體積用量為整體二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的10％。

(c)設(shè)計(jì)變量：優(yōu)化設(shè)計(jì)域內(nèi)單元密度。

1.4)根據(jù)步驟1.3)得到二級(jí)箱間段上接頭的具體參數(shù)及其他部件原始參數(shù)，在有限元分析軟件Abaqus中建立箱間段叉子單元及相鄰火箭殼體的聯(lián)合模型，進(jìn)行有限元分析，得到有利于箱間段上接頭集中應(yīng)力的擴(kuò)散的上接頭結(jié)構(gòu)形式，該上接頭結(jié)構(gòu)形式能夠避免局部三點(diǎn)彎曲效應(yīng)，降低接頭應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

第二步，對(duì)二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的叉子單元上接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化

在第一步1.4)得到的上接頭結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，考慮上接頭自身強(qiáng)度及總體要求、工藝等，對(duì)上接頭結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，叉子單元接頭材料為鈦合金ZTC4。該結(jié)構(gòu)形式滿足總體結(jié)構(gòu)要求，構(gòu)型比較簡(jiǎn)單，易于加工制造，且有利于裝配以及集中應(yīng)力擴(kuò)散，經(jīng)有限元分析和地面靜力試驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

本發(fā)明的有益效果為：在叉子單元上接頭優(yōu)化前，該結(jié)構(gòu)在軸拉載荷作用下存在三點(diǎn)彎曲問(wèn)題，大面積材料應(yīng)力、應(yīng)變水平過(guò)高，不滿足強(qiáng)度要求。采用本發(fā)明的“三爪”結(jié)構(gòu)形式的上接頭后，結(jié)構(gòu)一次性通過(guò)地面靜力試驗(yàn)考核，應(yīng)力水平得到極大的降低，結(jié)構(gòu)承載力明顯提高。

附圖說(shuō)明

圖1為拓?fù)鋬?yōu)化模型；

圖2為為上接頭拓?fù)鋬?yōu)化歷程曲線；

圖3為設(shè)計(jì)優(yōu)化后叉子單元上接頭結(jié)構(gòu)形式。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

一種二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要包括二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的叉子單元上接頭拓?fù)鋬?yōu)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化兩部分，整個(gè)過(guò)程如圖2所示，步驟如下：

第一步，根據(jù)結(jié)構(gòu)載荷形式，對(duì)二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的叉子單元進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到粗略結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的手段重新設(shè)計(jì)上接頭結(jié)構(gòu)形式，使得該區(qū)域應(yīng)力水平下降。

1.1)在HyperMesh中建立原二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的上接頭模型，用一塊實(shí)體的設(shè)計(jì)域包圍原有上接頭，建立上接頭拓?fù)鋬?yōu)化模型；并考慮螺栓的安裝需求，在設(shè)計(jì)域中預(yù)留出螺帽所占用的空間。

1.2)簡(jiǎn)化上接頭拓?fù)鋬?yōu)化模型，將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力，近似等效軸拉工況，完成上接頭拓?fù)鋬?yōu)化的模型建立工作；

1.3)以上接頭拓?fù)鋬?yōu)化模型剛度最大(最小柔順性)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，給定結(jié)構(gòu)重量上限，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)域內(nèi)的材料密度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，在OptiStruct中定義求解二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的最小柔順性優(yōu)化問(wèn)題，得到上接頭拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，即二級(jí)箱間段接頭的具體參數(shù)。

依據(jù)OptiStruct軟件中拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的求解算法(SIMP)，構(gòu)造最小柔順性優(yōu)化問(wèn)題：

(a)目標(biāo)：二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的最小柔順性設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)整體剛度最大。

(b)約束：確定體積用量，作為約束上限。所述的體積用量為整體二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的10％。

(c)設(shè)計(jì)變量：優(yōu)化設(shè)計(jì)域內(nèi)單元密度。

1.4)根據(jù)步驟1.3)得到二級(jí)箱間段上接頭的具體參數(shù)及其他部件原始參數(shù)，在有限元分析軟件Abaqus中建立箱間段叉子單元及相鄰火箭殼體的聯(lián)合模型，進(jìn)行有限元分析，得到有利于箱間段上接頭集中應(yīng)力的擴(kuò)散的上接頭結(jié)構(gòu)形式。

第二步，對(duì)二級(jí)箱間段結(jié)構(gòu)的叉子單元上接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化

在第一步1.4)得到的上接頭結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，考慮上接頭自身強(qiáng)度及總體要求、工藝等，對(duì)上接頭結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明上接頭“三爪”結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式(如圖3所示)有利于箱間段接頭集中應(yīng)力的擴(kuò)散，避免了局部三點(diǎn)彎曲效應(yīng)，降低了接頭應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。