一种运载火箭气动-载荷-结构有限元优化设计方法与流程

1.本发明涉及一种运载火箭气动-载荷-结构有限元优化设计方法，属于运载火箭载荷设计领域。


背景技术：

2.在运载火箭方案设计阶段，火箭总体结构设计是火箭研发过程中具有重要意义的工作，它与载荷、气动等专业配合，经过多轮迭代，最终得到一个满足总体需求的方案。这个过程是繁杂的，需要根据气动、载荷输入校核结构模型、并调整更改模型，耗费了大量的研发时间，因而传统的气动、载荷、结构设计需要反复迭代修正，效率不高。
3.火箭受外界气动力、发动机推力、控制操纵力作用，使火箭产生沿火箭轴线分布的载荷。现有的运载火箭载荷计算方法多采用一维梁模型，对火箭进行受力分析，得到火箭各截面的轴向力、剪力和弯矩。这种载荷计算方法，没有考虑火箭各部位结构形式差异，忽略了载荷的连续分布性质，得到的载荷计算结果不够精确，完成载荷计算后，再开展结构设计和强度分析，各个设计环节均需要依托不同的软件开展，接口多。当结构方案变化，外形尺寸发生改变时，需要重新进行强度分析的有限元建模，效率不高。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：针对目前运载火箭载荷计算模型不够精细及结构方案设计效率不高等问题，提出了一种运载火箭气动-载荷-结构有限元优化设计方法。
5.本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
6.一种运载火箭气动-载荷-结构有限元优化设计方法，包括：
7.根据运载火箭典型结构建立运载火箭的参数化三维有限元模型；
8.采用插值算法进行三维流固载荷转换；
9.设计结构优化变量进行转换后的三维有限元模型的结构优化。
10.根据任务需求和运载火箭结构设计方案，于运载火箭典型结构有限元模型建模模板库中，选取所需贮箱结构、铆接桁条结构、夹层结构及全箭装配结构的模板组建三维有限元模型。
11.所述运载火箭典型结构有限元模型建模模板库包括贮箱结构模板库、铆接桁条结构模板库、夹层结构模板库、全箭装配模板库，均根据以往任务需求的基本结构数据建立。
12.对三维有限元模型进行惯性力、气动力模拟，确定惯性力、气动力连续分布特性，根据静力等效原则及传力路线不变原则，对组成三维有限元模型的不同类型、形状、阶次的组成单元进行流固载荷转换计算，将计算所得气动数据采用插值算法进行流固两相载荷插值，获取三维有限元模型各不同组成单元于结构有限元网格节点上的等效集中载荷，并代入现有的三维有限元模型中。
13.确定参数化的三维有限元模型的典型结构参数，作为设计变量，以运载火箭典型结构质量最小作为目标，以运载火箭典型结构的强度、刚度为约束，调整设计变量进行优化
设计，确定三维有限元模型对应的最优结构参数。
14.所述设计变量包括：贮箱壁板厚度、加筋肋截面尺寸、加筋肋的布置参数、冯卡门锥段结构几何参数。
15.所述目标为运载火箭典型结构质量最小，所述约束为运载火箭典型结构满足任务强度、刚度要求。
16.所述插值算法包括最近邻点插值、加权插值、径向基函数插值，对气动网格节点与三维有限元模型的网格节点进行插值计算。
17.根据目标建立最小化目标函数，通过调整设计变量对最小化目标函数进行迭代计算，对各设计变量按照最小化目标函数在所选设计变量梯度的相反方向更新参数值，采用bfgs或slp或sqp梯度算法。
18.根据梯度算法确定对运载火箭典型结构质量影响超出阈值的设计变量，评估当前设计变量设置是否合理，对各设计变量进行调整以完成优化设计。
19.本发明与现有技术相比的优点在于：
20.本发明提供的一种运载火箭气动-载荷-结构有限元优化设计方法，采用插值算法实现三维流固载荷转换，使气动载荷按照分布载荷施加到运载火箭结构上，考虑了载荷连续分布特性，使运载火箭载荷设计更为精细精确，对运载火箭进行参数化有限元建模，对运载火箭常见结构进行建模，构建参数化建模模板，可根据需要对结构布局和结构尺寸进行参数化调整，并自动进行网格划分，提高设计效率，同时将参数化设计参数作为结构优化变量，在三维载荷作用下，对结构进行优化设计，能够减轻结构质量。
附图说明
21.图1为发明提供的流程框图；
22.图2为发明提供的运载火箭典型结构快速建模模板库组成示意图；
具体实施方式
23.一种运载火箭气动-载荷-结构有限元优化设计方法，对运载火箭进行参数化有限元建模，建立运载火箭常见结构参数化建模模板，在此基础上，采用插值算法实现三维流固载荷转换，使气动载荷按照分布载荷施加到运载火箭结构上，并进一步以参数化设计参数作为结构优化变量，在三维载荷作用下，对结构进行优化设计，减轻结构质量。
24.首先，根据任务需求和运载火箭结构设计方案，于运载火箭典型结构有限元模型建模模板库中，选取所需贮箱结构、铆接桁条结构、夹层结构及全箭装配结构的模板组建三维有限元模型；
25.运载火箭典型结构有限元模型建模模板库包括贮箱结构模板库、铆接桁条结构模板库、夹层结构模板库、全箭装配模板库，均根据以往任务需求的基本结构数据建立；
26.其次，对三维有限元模型进行惯性力、气动力模拟，确定惯性力、气动力连续分布特性，根据静力等效原则及传力路线不变原则，对组成三维有限元模型的不同类型、形状、阶次的组成单元进行流固载荷转换计算，将计算所得气动数据采用插值算法进行流固两相载荷插值，获取三维有限元模型各不同组成单元于结构有限元网格节点上的等效集中载荷，并代入现有的三维有限元模型中；
27.最后，确定参数化的三维有限元模型的典型结构参数，作为设计变量，以运载火箭典型结构质量最小作为目标，以运载火箭典型结构的强度、刚度为约束，调整设计变量进行优化设计，确定三维有限元模型对应的最优结构参数；
28.设计变量包括：贮箱壁板厚度、加筋肋截面尺寸、加筋肋的布置参数、冯卡门锥段结构几何参数；目标为运载火箭典型结构质量最小，所述约束为运载火箭典型结构满足任务强度、刚度要求；
29.根据目标建立最小化目标函数，采用bfgs或slp或sqp梯度算法，通过调整设计变量对最小化目标函数进行迭代计算，对各设计变量按照最小化目标函数在所选设计变量梯度的相反方向更新参数值；
30.根据梯度算法确定对运载火箭典型结构质量影响超出阈值的设计变量，评估当前设计变量设置是否合理，对各设计变量进行调整以完成优化设计。
31.下面结合说明书附图及优选实施例进行进一步说明：
32.在当前实施例中，首先对运载火箭进行参数化有限元建模，建立运载火箭常见结构参数化建模模板，在此基础上，采用插值算法实现三维流固载荷转换，使气动载荷按照分布载荷施加到运载火箭结构上，并进一步以参数化设计参数作为结构优化变量，在三维载荷作用下，对结构进行优化设计，减轻结构质量，流程框图如图1所示，具体包括：
33.参数化建模：针对运载火箭典型结构，建立运载火箭典型结构专用建模模板，实现运载火箭典型结构三维有限元模型的参数化自动建模及载荷自动施加，并建立结构有限元模型，满足运载火箭典型结构力学性能分析、结构设计等需求。编写如图2所示的运载火箭典型结构有限元模型建模模板库。运载火箭参数化有限元模板库由贮箱结构模板库、铆接桁条结构模板库、夹层结构模板库以及全箭装配模板库组成。
34.以正置四边形网格筒段建模模板为例，输入输出参数见下表：
35.表1正置四边形网格筒段模板的输入输出
[0036][0037]
气动力载荷-结构载荷转换：采用三维有限元方法，合理模拟惯性力和气动力的连续分布特性，从而为结构设计提供更为精细的载荷分析结果。运载火箭三维流固载荷转换依据静力等效原则和传力路线不变原则，针对不同单元类型、不同形状、不同阶次的单元开展流固载荷转换算法研究，将计算得到的气动力采用插值算法进行流固两相载荷的插值，得到结构有限元网格节点上的等效集中载荷。
[0038]
具体的，插值算法包括最近邻点插值、单元-多点加权插值和径向基函数插值。插值算法的基本形式如下：
[0039]
由于流场计算与结构计算的网格离散一般分别进行。即使对于相同的几何模型，采用相同的网格离散形式与网格分布，网格离散的数值误差导致γf与γs不能完全匹配。因此，离散边界γf与γs上离散变量相等的条件不能自然满足，需要通过数值近似描述。
[0040]
在界面γ上给定变量u相等条件：
[0041]
uf＝us[0042]
离散边界γf与γs上不考虑流、固物理场的时间变化，假设离散化后的变量向量形式为uf和us，且不随时间变化，则最终可以得到：
[0043]us
＝huf[0044]
其中h为流固界面的转换矩阵，该矩阵具体形式由界面插值方法决定。同时注意到，由于流、固界面的网格离散节点/单元个数往往不同，因此矩阵h通常不是方阵。
[0045]
载荷传递通常要求总体载荷守恒地加载到结构表面，即载荷传递后的结构表面载
荷与流场边界载荷相等。该条件等价于要求上述的转换矩阵满足h每列元素之和等于1的条件，即：
[0046][0047]
最近邻点插值算法，先找到流场边界点与结构表面点之间的邻近对应关系，然后将流场载荷加到对应的结构点。最近邻点插值方法形成的转换矩阵是稀疏的0-1矩阵。
[0048]
单元加权方法通过对流场边界节点查找对应的结构网格单元，将流场载荷按照静力等效原则加权分配到结构网格单元的各个节点上。单元加权插值的转换矩阵中的非0元素比最近邻点插值方法转换矩阵中的非0元素要多，但仍是稀疏矩阵，非0元素只存在于一个很小的带宽内。
[0049]
径向基函数插值方法基于样条基函数，流场与结构边界的物理变量通过函数进行近似。径向基函数插值方法不需要对流场与结构间的界面网格进行匹配映射，流场网格与结构网格之间的联系通过插值函数体现，该方法需要对矩阵进行求逆，并且当插值基函数采用全局基函数时，需要对稠密矩阵进行求解，计算量较大，要求流场边界网格与结构边界网格具有较好的几何一致性。
[0050]
结构优化：基于运载火箭典型结构参数化模型，通过选定优化参数完成运载火箭典型结构的优化分析。选取运载火箭典型结构参数(如贮箱壁板厚度、加筋肋截面尺寸、加劲肋的布置参数、冯卡门锥段结构几何参数等)，作为设计变量，以运载火箭典型结构质量最小作为目标，以运载火箭典型结构的强度、刚度等为约束，对运载火箭典型结构进行优化，从而确定最优结构参数。
[0051]
设计变量：运载火箭典型结构参数，选择贮箱壁板厚度、加筋肋截面尺寸、加劲肋的布置参数、冯卡门锥段结构几何参数等；
[0052]
目标：运载火箭典型结构质量最小；
[0053]
约束：运载火箭典型结构满足强度、刚度要求。
[0054]
算法：采用梯度算法。通过调整设计变量对最小化目标函数进行迭代计算，采用bfgs或slp或sqp梯度算法，对各设计变量按照最小化目标函数在所选设计变量梯度的相反方向更新参数值。
[0055]
本实施例采用插值算法实现三维流固载荷转换，使气动载荷按照分布载荷施加到运载火箭结构上，该设计方法考虑了载荷连续分布特性，使运载火箭载荷设计更为精细精确，通过对运载火箭进行参数化有限元建模，对运载火箭常见结构进行建模，构建参数化建模模板，可根据需要对结构布局和结构尺寸进行参数化调整，提高设计效率，并将参数化设计参数作为结构优化变量，在三维载荷作用下，对结构进行强度分析和优化设计，减轻结构质量，得到最优结构。
[0056]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0057]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。