一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法与流程

本发明属于航天舱段结构设计领域，涉及一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法。

背景技术：

箱间段是一种被广泛使用的多型运载火箭中的结构段，箱间段的强度分析是一项重要的工作。传统工程算法，虽然能快速估计结构强度，但精度较低：作为氧箱/氢箱的连接段，工程算法很难全面考虑不同部段之间的相互作用。另外复杂结构、复杂载荷下传力路径很复杂，工程算法很难做出合理假设。有限元强度分析方法能获得较真实的传力路径及箱间段承力分布，也可以较准确的模拟接触面非线性效应，具有较高精度。

本发明以有限元分析为基础，结合拓扑优化技术重新设计箱间段上接头结构形式，使得该区域应力水平下降，并且分析评估了新结构在复杂载荷、复杂边界下的强度问题，大幅提高工作效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法，本发明基于有限元强度分析技术和拓扑优化方法，建立联合仿真模型重新设计箱间段接头结构，提高叉子单元的集中载荷扩散效率，降低局部应力水平，解决箱间段的局部强度问题。快速准确地进行箱间段联合建模、强度分析及评估。本发明提供一种适合于杆系结构的强度分析技术以及杆系的接头优化设计方法，其中：优化技术的使用可以降低接头应力水平，提高结构承载能力；强度分析技术可以更全面更真实地考核结构的强度问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法，具体包括以下步骤：

第一步，对二级箱间段结构的原始设计强度校核

1.1)所述的二级箱间段由N个重复单元组成,根据二级箱间段的结构载荷形式，采用Abaqus有限元软件建立1/N箱间段的有限元模型，考虑对称性，选取原有限元模型的1/2N(上述结构“1/N”的1/2)进行有限元分析。所述的N的个数由实际情况确定。

1.2)根据1.1)的结果得到二级箱间段结构的应力分布：在轴压载荷作用下，二级箱间段结构满足强度要求；在轴拉载荷作用下，二级箱间段结构的叉子单元的上接头有很大的高应力区域，不满足强度要求，由自身结构形式导致的三点弯曲引起。因此本发明拟通过拓扑优化的手段重新设计上接头结构形式，使得该区域应力水平降低。

第二步，基于OptiStruct的上接头拓扑优化设计，得到上接头拓扑优化模型

2.1)依据OptiStruct软件中拓扑优化问题的求解算法(SIMP)，二级箱间段结构的最小柔顺性设计使结构整体刚度最大，并且应变场在一定水平上趋于均匀分布，这就使最小柔顺性的设计结果往往也促使应力分布更为均匀。另一方面，因奇异性导致的针对应力的拓扑优化困难，也使在工程中直接把应力为目标或者约束来优化显得尤其困难，所以构造最小柔顺性优化问题。

即，依据OptiStruct软件中拓扑优化问题的求解算法(SIMP)，构造最小柔顺性优化问题：

(a)目标：二级箱间段结构的最小柔顺性设计使结构整体刚度最大。

(b)约束：确定体积用量，作为约束上限。所述的体积用量为整体二级箱间段结构的10％。

(c)设计变量：优化设计域内单元密度。

2.2)在HyperMesh中建立原二级箱间段结构的上接头模型，用一块实体的设计域包围原有上接头，建立上接头拓扑优化模型；并考虑螺栓的安装需求，在设计域中预留出螺帽所占用的空间。

2.3)简化上接头拓扑优化模型，将螺孔约束，并在上接头的轴向加载集中拉力，近似等效轴拉工况；完成上接头拓扑优化的模型建立工作，然后将第二步2.1)的最小柔顺性优化问题在OptiStruct中定义求解，得到上接头拓扑优化设计结果，即二级箱间段上接头的具体参数。

因为拓扑优化只为寻找最佳的传力路径，据此给出概念设计，并不需要进行十分精确的非线性分析，考虑到接头的实际约束和受力情况，优化模型予以简化，直接将螺孔约束，并在上接头的轴向加载集中拉力来近似等效轴拉工况。

第三步，上接头拓扑优化模型的局部强度校核

根据第二步得到二级箱间段上接头的具体参数及其他部件原始参数，在有限元分析软件Abaqus中建立箱间段叉子单元及相邻火箭壳体的联合模型，校核二者互为真实边界后的二级箱间段上接头结构强度，该区域应力水平降低。

在轴向拉伸工况下，上接头优化设计模型的应力分布，可以看出由于这种更新的接头样式避免了原始设计模型中的三点弯曲受力状态的发生，上接头局部的高应力水平得到有效降低，同时在一定程度上减小了高应力区域。

本发明的有益效果为：采用了有限元方法、且融合工程经验，基于拓扑优化技术进行联合强度分析以及局部结构优化，大幅提高分析精度，取得了减重、优化、承力高等更优性能。联合设计得到的箱间段结构一次性通过地面静力试验考核，应力水平得到极大的降低，结构承载力明显提高。

附图说明

图1为拓扑优化模型图；

图2为上接头拓扑优化结果图。

具体实施方式

一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法，具括以下步骤：

第一步，对二级箱间段结构的原始设计强度校核

1.1)采用Abaqus有限元软件建立1/N箱间段的有限元模型，选取原有限元模型的1/2N进行有限元分析；

1.2)根据1.1)的结果得到二级箱间段结构的应力分布：

轴压载荷作用下，二级箱间段结构满足强度要求；

轴拉载荷作用下，通过拓扑优化的重新设计上接头结构形式，降低该区域应力水平；

第二步，基于OptiStruct上接头拓扑优化设计，得到上接头拓扑优化模型

2.1)依据OptiStruct软件中拓扑优化问题的求解算法SIMP，构造最小柔顺性优化问题：

(a)目标：二级箱间段结构的最小柔顺性设计保证结构整体刚度最大；

(b)约束：确定体积用量，作为约束上限；

(c)设计变量：优化设计域内单元密度；

2.2)在HyperMesh中建立原二级箱间段结构的上接头模型，用一块实体的设计域包围原有上接头，建立上接头拓扑优化模型；并考虑螺栓的安装需求，在设计域中预留出螺帽所占用的空间；

2.3)简化上接头拓扑优化模型，将螺栓孔约束，并在上接头的轴向加载集中拉力，近似等效轴拉工况，完成上接头拓扑优化的模型建立工作；将第二步2.1)的最小柔顺性优化问题在OptiStruct中定义求解，得到上接头拓扑优化设计结果，即二级箱间段上接头的具体参数；

第三步，上接头拓扑优化模型的局部强度校核

根据第二步得到二级箱间段上接头的具体参数及其他部件原始参数，在有限元分析软件Abaqus中建立箱间段叉子单元及相邻火箭壳体的联合模型，校核二者互为真实边界后的二级箱间段上接头结构强度，该区域应力水平降低。