本发明涉及一种可以用于含流道微桁架传热、承载多功能结构多目标优化设计的方法，属于航空飞行器总体设计及多功能结构材料设计领域；具体地说，是一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法。
背景技术：
为了满足复杂严酷的飞行环境，新型飞行器通常要求尽可能地减轻结构重量，并克服气动加热问题。因此轻质、耐高温/热防护、高强度、低密度的结构材料对于研制新型飞行器(尤其是重复使用的新型飞机和空天飞机)尤为关键。传统的飞行器结构设计思想将结构系统与功能系统分开考虑，即一部分材料用来满足对结构的强度、刚度等力学性能的要求，另一部分材料则用来满足隔热、隔振或电子屏蔽等要求。这不仅增加了飞行器的重量，更降低了其使用性能和可靠性。传统的结构构型及其结构设计与计算方法已难以满足新型飞行器对机体平台性能不断提高的苛刻需求，因此迫切需求突破原有的结构形式及设计方法，采用创新型的、综合考虑承载/热防护等性能需求的多功能结构。微桁架结构由于内部有较为充分的几何空间并且相互贯通，可有效实现换热、液压、燃油、气流通路等功能需求的系统载体，实现材料、结构与功能的完美结合。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于微桁架多功能集成结构的传热、承载一体化机翼前缘多目标优化设计的方法。所述方法通过在微桁架夹芯结构中引入流道，并通过传热、传力耦合计算，实现温度及应力的多目标优化，最终设计满足设计工艺及设计边界的最轻前缘结构。
本发明提出一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，对含流道微桁架结构传热和承载进行多功能一体化设计，具体步骤如下：
(1)根据结构工况设计初始微桁架拓扑结构及结构优化前基本形状的周期性单胞；
(2)通过有限元模型计算设计温度下流道壁面与流体之间的传热系数；
(3)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构传热分析几何模型，并根据微桁架和壁面的形状特征给所述的传热分析几何模型划分网格；
(4)根据工况特征赋予传热分析几何模型相应温度边界条件，设置微桁架材料传热属性；所述的材料传热属性包括微桁架材料的传热系数和比热容。
(5)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构应力分析几何模型，设置微桁架材料相应的材料属性；所述的材料属性包括微桁架材料钛合金的塑性和热膨胀率。
(6)根据工况特征赋予应力分析几何模型相应边界约束条件，将传热分析最终温度场作为应力分析初始温度分布输入；
(7)建立优化模型，通过修改输入文件参数实现参数化建模，分别进行传热分析和应力分析，计算边界约束和目标值，通过优化软件进行优化。
本发明的优点或有益效果在于：
(1)本发明提出的基于传热和承载多物理场耦合分析的含流道微桁架夹芯结构多功能集成一体化优化设计方法，充分考虑实际工况下热力耦合问题，引入温度对强度影响，并考虑加工工艺边界条件，通过优化算法实现结构优化设计。
(2)本发明通过在微桁架内部空间引入流道，通过燃油实现传热隔热，在实现燃油加热的同时，保证内部工作环境的稳定。该方法简单有效，可以通过较小的计算量实现优化设计，大大减少试验试错带来的时间和费用。
附图说明
图1为本发明提供的微桁架热力耦合优化分析方法流程图。
图2a为含流道微桁架夹芯结构的机翼前缘结构示意图。
图2b为含流道微桁架夹心结构的机翼前缘结构的周期性单胞结构示意图。
图3为微桁架结构传热分析几何模型的热边界条件示意图。
图4为钛合金材料强度与温度关系曲线。
图5为微桁架结构应力分析边界条件示意图。
图6为结构优化模型的优化方法示意图。
图7a和图7b为优化前后的周期性单胞结构对比。
图中：
1.上壁面；2.下壁面；3.流道壁面；
4.夹心结构；401.第一层金字塔构型；402.第二层金字塔构型；
403.第三层金字塔构型。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，下面以微桁架夹芯结构机翼前缘的传热、承载多功能集成结构优化设计为例进行说明。本实例的整体方法流程如图1所示，下面结合实施例对各步骤作如下具体说明：
(1)根据结构工况设计初始微桁架拓扑结构及结构优化前基本形状的周期性单胞。具体为：本实例以微桁架夹芯结构为基础，结合设计要求及工况进行结构设计。如图2a和2b所示，考虑到机翼前缘为曲面结构，本实例中选用圆柱体作为微桁架杆件的基本结构形状，由于机翼前缘存在冲击风险，因此，如果以燃油为介质的流道布置在上壁面会存在较大的风险，为了安全考虑将流道布置到夹芯结构下壁面，流道选用承载性能较好的三角形截面构型，微桁架选用金字塔形构型，如图2a和图2b所示，所述的机翼前缘由若干个矩阵形式排列的周期性单胞一体化成型构成，根据结构对称性选出一个周期性单胞进行说明，所述周期性单胞坐标系如图2b中所示，r、t、z分别对应周期性单胞的径向、周向和轴向，所述的周期性单胞包括上壁面1、下壁面2、流道壁面3和夹心结构4，所述的下壁面2的两端向夹心结构4方向延伸两个流道壁面3，两个流道壁面3相交，与下壁面2形成一个截面为等腰三角形的三棱柱通道，作为冷却液的流道，在所述流道和上壁面1之间具有夹心结构4，所述的夹心结构4呈多层金字塔构型，每个金字塔构型由四个微桁架杆件组成，第一层金字塔构型401底面朝上，并且四个微桁架杆件连接上壁面1；第一层金字塔构型401的尖顶与第二层金字塔构型402的尖顶相对接，第二层金字塔构型402和第三层金字塔构型403的底面相对接，依次连接多层金字塔构型，最后一层金字塔构型的尖顶位于两个流道壁面3交线的中间。所述的所述上壁面1厚度和下壁面2的厚度相等，均为0.3mm，微桁架杆件采用基本圆柱体，圆柱体的直径为0.3mm。所述的上壁面1和下壁面2均为曲面结构，并且所述上壁面1的曲率大于下壁面2的曲率。
(2)通过有限元模型计算设计温度下，流道壁面3与流体之间的传热系数。具体为：通过fluent建立流道及流道内流体模型，赋予流道内流体即燃油的热学、流动属性(密度、导热系数、比热容和动力粘性系数)，设置流道出入口及壁面边界条件，入口为恒定流速边界条件，出口为自由发展边界条件，流道壁面为无滑移边界条件，入口燃油温度为293k，流道壁面温度设置不同的温度。通过流体热力耦合方法计算流道壁面与燃油在固定流速下的传热系数，通过计算发现传热系数与温度无关，此处流体速度选为0.3m/s。计算得到传热系数为1210w/m2k。
所述流道壁面是指三棱柱形流道的三个内表面。
(3)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构传热分析几何模型，并根据形状特征给所述的传热分析几何模型划分网格。具体为：选用abaqus进行建模，考虑到传热分析过程中不会发生变形，此外，壁面及微桁架其他方向尺寸远小于长度方向(径向)尺寸，为了简单计算及优化过程中参数化建模简便性，壁面和微桁架分别选用壳单元和桁架单元进行建模，然后结合所述壁面和微桁架的几何特点进行网格划分。传热分析有限元几何模型和热边界条件如图3所示，实施例所示的几何模型包括上表面、下表面和两个流道壁面，以及中间夹心架构的十二个微桁架杆件。热边界包括上壁面513k温度边界，热边界还包括下壁面和两个流道壁面。
(4)根据工况特征赋予传热分析几何模型相应温度边界条件，设置微桁架材料传热属性。具体为：在abaqus中建立稳态传热分析步，在微桁架结构上壁面设置温度边界条件，此处为513k，在三棱柱流道内表面设置filmcondition，传热系数为1210w/m2k，温度边界条件如图3所示，包括上壁面、下壁面和两个流道壁面边界。微桁架材料选择钛合金，材料属性中设置钛合金的传热系数及比热容，设置完成后输出inp文件，以备后续优化计算使用。
(5)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构应力分析几何模型，设置微桁架材料的力学热学性能属性。具体为：选用abaqus进行建模，为了能够实现温度承载耦合计算，将传热分析几何模型的温度场引入应力分析几何模型，应力分析几何模型需选用和传热分析几何模型相同的几何模型和网格划分。由于微桁架为细长杆，为了考虑实际可能存在的屈曲失效，微桁架选用梁单元和钛合金进行模拟。钛合金强度随温度变化曲线如图4所示，因此在材料属性中添加与温度相关的塑性，将温度对钛合金屈服强度的影响引进应力分析几何模型，此外添加热膨胀率，考虑因为热膨胀引起的应力及变形。
(6)根据工况特征赋予应力分析几何模型相应边界约束条件，将传热分析几何模型最终温度场作为应力分析几何模型初始温度分布输入。具体为：通过在应力分析几何模型中的初始温度场中读取传热分析几何模型的温度场结果，将温度场对应力的影响引进应力分析几何模型。考虑到微桁架的周期性单胞的周期性特点，边界约束条件设为应力分析几何模型关于周向(t向)和轴向(z向)对称，微桁架结构应力分析模型边界条件如图5所示，其中流道壁面与下壁面相交线的部分，以及该相交线对应的上壁面的两条边，设置为周向(t向)对称；其余的边设置为轴向(z向)对称，第二层金字塔构型的四个微桁架杆件与第三层金字塔构型的四个微桁架杆件的相交节点，由于处于两个方向的交点，设置为周向(t向)和轴向(z向)对称。整个应力分析分成两个分析步，第一个分析步计算由于温度场不均匀导致的热应力以及热变形，第二个分析步在上壁面设置均匀压力，计算传热分析几何模型中是否出现塑性变形以及屈曲。设置完成后输出inp文件，以备后续优化计算使用。
(7)建立优化模型，通过修改输入文件参数实现参数化建模，分别进行传热分析和应力分析，计算边界约束和目标值，通过优化软件进行优化。具体为：选用isight优化软件进行集成优化，结构优化模型示意图如图6所示。首先通过dataexchanger组件将inp文件中的自变量参数进行修改，然后通过oscommand组件进行传热分析，输出温度场后，通过oscommand组件进行应力分析，并输出需要进行约束和优化的变形等信息变量，通过dataexchanger组件读入所述的约束变量和优化目标变量，最后通过优化算法组件进行优化分析，并完成一个迭代，通过不断迭代，直到目标值达到最优。在此优化模型中，将壁面和微桁架的尺寸设为自变量，并且给定加工工艺性边界(最小尺寸为0.1mm)，保证试验件(壁面和微桁架)能够被加工出来，通过约束下壁面温度实现隔热效果，通过约束不出现塑性变形及屈曲保证结构承载，通过约束壁面最大位移保证结构刚度，减少对气动特性的影响，最终达到质量最轻，完成优化。
优化前后模型对比图如图7a和7b所示，通过对比优化前后可以看出，上壁面和下壁面的厚度减小，流道壁面的厚度减小，微桁架杆件的直径减小，优化后的质量大大减小，下壁面、流道壁面，第一、第二层金字塔构型中微桁架杆件的几何尺寸均达到工艺性最小值，说明优化结果的可靠性。
优化前后参数对比
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明结论的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。