本發(fā)明涉及航天構(gòu)件設(shè)計領(lǐng)域，特別是涉及一種激光噴丸變剛度輕量化方法。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(optimumstructuraldesign)指在給定約束條件下，按某種目標(如重量最輕、成本最低、剛度最大等)求出最好的設(shè)計方案，曾稱為結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計或結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計，相對于“結(jié)構(gòu)分析”而言，又稱“結(jié)構(gòu)綜合”，例如，以結(jié)構(gòu)的重量最小為目標，則稱為最小重量設(shè)計。

在航天、航空及汽車工業(yè)中，結(jié)構(gòu)重量關(guān)系到有效載荷比、燃油消耗率等關(guān)鍵性參數(shù)，輕量化設(shè)計在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中占有至關(guān)重要的地位。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的特點是基于數(shù)值仿真技術(shù)的多學(xué)科綜合設(shè)計理念，采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、并行計算等先進算法，對構(gòu)件進行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

目前，航天、航空領(lǐng)域中，廣泛采用的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計主要有：1)夾層結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)造形式是由上下兩塊薄而強的面板和填在其中并與面板牢固連接起來的輕質(zhì)芯材所組成；夾層結(jié)構(gòu)的特點是抗彎剛度大、可提高材料有效利用率、可減輕重量；2)格柵結(jié)構(gòu)，又稱材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)型是由加強筋構(gòu)成的多邊形網(wǎng)格；格柵結(jié)構(gòu)的特點：自穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)抗屈曲能力強，比強度和比剛度高，檢測和修補方便等；3)點陣結(jié)構(gòu)，其構(gòu)型是由節(jié)點和連接節(jié)點的桿單元組成的類似于桁架體系的三維空間周期性結(jié)構(gòu)；點陣結(jié)構(gòu)特點是：自穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)抗屈曲能力強，承載力高，材料利用效率高；4)桁架結(jié)構(gòu)，其構(gòu)型特點是由平行于桁架縱向中心軸的縱向肋條和圍繞中心軸均勻布置的螺旋向肋條相互交織構(gòu)成的一種軸對稱桁架結(jié)構(gòu)；桁架結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)減重高，整體性強，承載能高等。

然而，目前的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，主要集中于構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等算法理論方向，設(shè)計階段與制造階段缺乏信息反饋，構(gòu)件輕量化設(shè)計的潛力還未完全開發(fā)。

因此，如何在保證構(gòu)件性能的同時，實現(xiàn)構(gòu)件的輕量化設(shè)計，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種激光噴丸變剛度輕量化方法，利用激光噴丸強化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，可以對已經(jīng)輕量化設(shè)計的航天整體構(gòu)件進行進一步的高性能輕量化改進，提升減重效率，增大有效載荷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種激光噴丸變剛度輕量化方法，包括以下步驟：

步驟s1：對構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定所述構(gòu)件的極限尺寸；

步驟s2：采用相同牌號和熱處理狀態(tài)的材料截取所述構(gòu)件，并對所述構(gòu)件進行激光噴丸強化試驗，設(shè)置多組強化參數(shù)；

步驟s3：對所述構(gòu)件進行材料性能測試，獲取材料性能提升數(shù)據(jù)；

步驟s4：確定拓撲優(yōu)化強化區(qū)域，建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)定目標函數(shù)和約束條件，采用有限元求解激光噴丸強化區(qū)域面積、數(shù)量和布局形式；

步驟s5：根據(jù)所述材料性能提升數(shù)據(jù)對所述構(gòu)件的截面尺寸進行優(yōu)化；

步驟s6：評估優(yōu)化后所述構(gòu)件的靜/動強度、剛度、承載能力、可靠性指標，并判斷是否符合設(shè)計要求，如果否，則重復(fù)所述步驟s4；如果是，則完成所述構(gòu)件的設(shè)計。

優(yōu)選的，所述步驟s1包括：

步驟s11：建立所述構(gòu)件的模型，獲得所述構(gòu)件的幾何外形；

步驟s12：確定所述構(gòu)件的外載荷和邊界條件；

步驟s13：根據(jù)所述構(gòu)件的幾何外形、外載荷和邊界條件進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定所述構(gòu)件的極限尺寸。

優(yōu)選的，所述步驟s11具體為：采用catia軟件建立鋁合金單蒙皮格柵整體壁板模型。

優(yōu)選的，所述步驟s13具體為：由理論分析和數(shù)值仿真可確定構(gòu)件各個部分的極限尺寸，并進行結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析，確定格柵結(jié)構(gòu)極限深寬比。

優(yōu)選的，所述步驟s3中，所述材料性能提升數(shù)據(jù)包括材料拉伸強度、楊氏模量、疲勞壽命提升數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述步驟s4中，還包括：設(shè)計不同形式的激光噴丸強化處理方式，并獲得不同形式下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性。

優(yōu)選的，所述激光噴丸強化處理方式包括鋁合金單蒙皮格柵整體壁板的外蒙皮全處理、區(qū)域等間隔處理或區(qū)域不等間隔處理。

優(yōu)選的，所述步驟s5具體為：

設(shè)置目標函數(shù)和約束條件，以最小質(zhì)量為目標，約束條件為結(jié)構(gòu)強度、剛度變化量小于0.01％，采用并行計算和數(shù)值仿真方法進行所述構(gòu)件的截面尺寸優(yōu)化。

本發(fā)明所提供的激光噴丸變剛度輕量化方法，包括以下步驟：對構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定所述構(gòu)件的極限尺寸；采用相同牌號和熱處理狀態(tài)的材料截取所述構(gòu)件，并對所述構(gòu)件進行激光噴丸強化試驗，設(shè)置多組強化參數(shù)；對所述構(gòu)件進行材料性能測試，獲取材料性能提升數(shù)據(jù)；確定拓撲優(yōu)化強化區(qū)域，建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)定目標函數(shù)和約束條件，采用有限元求解激光噴丸強化區(qū)域面積、數(shù)量和布局形式；根據(jù)所述材料性能提升數(shù)據(jù)對所述構(gòu)件的截面尺寸進行優(yōu)化；評估優(yōu)化后所述構(gòu)件的靜/動強度、剛度、承載能力、可靠性指標，并判斷是否符合設(shè)計要求，如果否，則重復(fù)所述確定拓撲優(yōu)化強化區(qū)域步驟；如果是，則完成所述構(gòu)件的設(shè)計。該激光噴丸變剛度輕量化方法，利用激光噴丸強化技術(shù)提升材料強度、剛度和疲勞壽命等參數(shù)，屬于冷加工無熱效應(yīng)損傷，構(gòu)件處理可靠性強；同時，利用激光噴丸強化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，可以對已經(jīng)輕量化設(shè)計的航天整體構(gòu)件進行進一步的高性能輕量化改進，提升減重效率，增大有效載荷；同時，利用激光噴丸強化處理構(gòu)件，可以實現(xiàn)構(gòu)件疲勞壽命的提升，不僅僅適用于單次任務(wù)的航天整體構(gòu)件，也適用于航空長期服役構(gòu)件和汽車輕量化構(gòu)件的處理。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供的激光噴丸變剛度輕量化方法一種具體實施方式的流程圖；

圖2為本發(fā)明所提供的激光噴丸變剛度輕量化方法一種具體實施方式的原理圖；

圖3為本發(fā)明所提供的航天器鋁合金單蒙皮格柵整體壁板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3所示航天器鋁合金單蒙皮格柵整體壁板的截面圖；

其中：1-外蒙皮、2-格柵部分、3-激光噴丸強化層、4-原始材料層。

具體實施方式

本發(fā)明的核心是提供一種激光噴丸變剛度輕量化方法，用于提升構(gòu)件的性能，實現(xiàn)構(gòu)件的輕量化，進而提升航天器或飛行器的綜合性能。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

請參考圖1至圖4，圖1為本發(fā)明所提供的激光噴丸變剛度輕量化方法一種具體實施方式的流程圖；圖2為本發(fā)明所提供的激光噴丸變剛度輕量化方法一種具體實施方式的原理圖；圖3為本發(fā)明所提供的航天器鋁合金單蒙皮格柵整體壁板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3所示航天器鋁合金單蒙皮格柵整體壁板的截面圖。

在該實施方式中，激光噴丸變剛度輕量化方法包括以下步驟：

步驟s1：對構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定構(gòu)件的極限尺寸；

步驟s2：采用相同牌號和熱處理狀態(tài)的材料截取構(gòu)件，并對構(gòu)件進行激光噴丸強化試驗，設(shè)置多組強化參數(shù)；

步驟s3：對構(gòu)件進行材料性能測試，獲取材料性能提升數(shù)據(jù)；

步驟s4：確定拓撲優(yōu)化強化區(qū)域，建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)定目標函數(shù)和約束條件，采用有限元求解激光噴丸強化區(qū)域面積、數(shù)量和布局形式；

步驟s5：根據(jù)材料性能提升數(shù)據(jù)對構(gòu)件的截面尺寸進行優(yōu)化；

步驟s6：評估優(yōu)化后構(gòu)件的靜/動強度、剛度、承載能力、可靠性指標，并判斷是否符合設(shè)計要求，如果否，則重復(fù)步驟s4；如果是，則完成構(gòu)件的設(shè)計。

該激光噴丸變剛度輕量化方法，利用激光噴丸強化技術(shù)提升材料強度、剛度和疲勞壽命等參數(shù)，屬于冷加工無熱效應(yīng)損傷，構(gòu)件處理可靠性強；同時，利用激光噴丸強化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，可以對已經(jīng)輕量化設(shè)計的航天整體構(gòu)件進行進一步的高性能輕量化改進，提升減重效率，增大有效載荷；同時，利用激光噴丸強化處理構(gòu)件，可以實現(xiàn)構(gòu)件疲勞壽命的提升，不僅僅適用于單次任務(wù)的航天整體構(gòu)件，也適用于航空長期服役構(gòu)件和汽車輕量化構(gòu)件的處理。該方法主要利用激光噴丸強化提升材料強度、剛度和疲勞壽命，通過優(yōu)化分布強化處理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件剛度梯度的調(diào)控和結(jié)構(gòu)重量的降低，適用于航天整體構(gòu)件的減重。

進一步，步驟s1：對構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定構(gòu)件的極限尺寸，具體包括：

步驟s11：建立構(gòu)件的模型，獲得構(gòu)件的幾何外形；更具體的，建立構(gòu)件的模型，可以具體為采用catia軟件建立鋁合金單蒙皮格柵整體壁板模型，如圖3所示，格柵結(jié)構(gòu)2位于外蒙皮1的內(nèi)周部，當(dāng)然，catia軟件為優(yōu)選軟件，采用其他形式的模型建立軟件亦可。

步驟s12：確定構(gòu)件的外載荷和邊界條件；具體的，圓柱形整體壁板主要起到保持結(jié)構(gòu)外形和穩(wěn)定性的作用，承載方式以軸向載荷為主，根據(jù)航天器設(shè)計運動姿態(tài)設(shè)計確定慣性力，邊界條件為軸向限制位移。

步驟s13：根據(jù)構(gòu)件的幾何外形、外載荷和邊界條件進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定構(gòu)件的極限尺寸，具體的，步驟s13可以為：由理論分析和數(shù)值仿真可確定構(gòu)件各個部分的極限尺寸，并進行結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析，確定格柵結(jié)構(gòu)極限深寬比。

具體的，步驟s2中，采用相同牌號和熱處理狀態(tài)的材料截取構(gòu)件，并對構(gòu)件進行激光噴丸強化試驗，設(shè)置多組強化參數(shù)；通過設(shè)置多組強化參數(shù)作為備選，最終選取多組強化參數(shù)中強化效果最優(yōu)的參數(shù)對產(chǎn)品進行加工，提高產(chǎn)品加工精度。

步驟s3中，對激光噴丸強化試驗后的構(gòu)件進行材料性能測試，獲取材料性能提升數(shù)據(jù)；優(yōu)選的，材料性能提升數(shù)據(jù)包括材料拉伸強度、楊氏模量、疲勞壽命提升數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)；鋁合金材料經(jīng)激光噴丸強化處理后，楊氏模量、抗拉強度、屈服強度平均提升12％，由結(jié)構(gòu)幾何特性可計算出剛度提升比率，即材料性能提升數(shù)據(jù)，如圖4所示，激光噴丸強化后，激光噴丸強化層4與原始材料層3牢固結(jié)合。

步驟s4中，對確定拓撲優(yōu)化強化區(qū)域，建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)定目標函數(shù)和約束條件，采用有限元求解激光噴丸強化區(qū)域面積、數(shù)量和布局形式；具體還包括：設(shè)計不同形式的激光噴丸強化處理方式，并獲得不同形式下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性。

在經(jīng)過了步驟s4與步驟s5的兩個步驟的優(yōu)化后，進行步驟s6：評估優(yōu)化后構(gòu)件的靜/動強度、剛度、承載能力、可靠性指標，并判斷是否符合設(shè)計要求，如果否，則重復(fù)步驟s4和步驟s5，重新優(yōu)化激光噴丸強化區(qū)域和截面尺寸，直至設(shè)計符合要求；如果是，則完成構(gòu)件的設(shè)計。

具體的，步驟s6包括：

步驟s61：對構(gòu)件的性能進行評估；

步驟s62：判斷構(gòu)件的性能是否達標，如果否，則重復(fù)步驟s4和步驟s5，如果是，則完成構(gòu)件的設(shè)計。

進一步，激光噴丸強化處理方式包括鋁合金單蒙皮格柵整體壁板的外蒙皮全處理、區(qū)域等間隔處理或區(qū)域不等間隔處理。

在上述各實施方式的基礎(chǔ)上，步驟s5具體為：

設(shè)置目標函數(shù)和約束條件，以最小質(zhì)量為目標，約束條件為結(jié)構(gòu)強度、剛度變化量小于0.01％，采用并行計算和數(shù)值仿真方法進行構(gòu)件的截面尺寸優(yōu)化。

具體的，本實施例所提供的激光噴丸變剛度輕量化方法，包含結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計三大部分，建立了設(shè)計與制造的信息交流，其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計依次包括：構(gòu)件幾何建模，外載荷、邊界條件確定，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分析；工藝設(shè)計中包括：對構(gòu)件進行激光噴丸強化試驗和獲取材料性能提升數(shù)據(jù)；優(yōu)化設(shè)計包括：拓撲優(yōu)化強化區(qū)域和尺寸優(yōu)化截面尺寸。完成上述兩種優(yōu)化后，判斷構(gòu)件的性能是否達標，如果是，則完成設(shè)計，如果否，則繼續(xù)進行上述兩種優(yōu)化方式，直至構(gòu)件的性能達標，則完成設(shè)計，得到最佳強化參數(shù)。

在上述各實施方式的基礎(chǔ)上，工藝設(shè)計中，在獲得強化后材料性能提升數(shù)據(jù)后，可用于結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分析，可定量衡量激光噴丸強化對構(gòu)件性能的提升效果，實現(xiàn)工藝設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相互聯(lián)系。

該激光噴丸變剛度輕量化方法，為了實現(xiàn)航天、航空構(gòu)件高性能輕量化設(shè)計，在已有的輕量化設(shè)計基礎(chǔ)上進一步降低構(gòu)件重量，提升航天器、飛行器的性能。本發(fā)明利用激光噴丸強化技術(shù)提升材料的強度、疲勞性能，借助拓撲優(yōu)化方法合理布局強化處理區(qū)域，使得構(gòu)件具有變化的截面剛度、抗拉強度。采用尺寸優(yōu)化方法，將激光噴丸強化增益用于兩個方面，第一保證構(gòu)件設(shè)計性能恒定不變，第二用于構(gòu)件的輕量化設(shè)計，降低構(gòu)件的截面尺寸，最終實現(xiàn)構(gòu)件進一步的輕量化設(shè)計，提升航天器、飛行器的綜合性能。

以上對本發(fā)明所提供的激光噴丸變剛度輕量化方法進行了詳細介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。