基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法

本发明涉及箭体静力试验，特别是涉及一种基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法。

背景技术：

1、静力试验作为火箭研制试验中最基础和重要的试验，可用于判定箭体结构静强度和静刚度水平是否满足结构设计要求，为改进结构设计、验证或修正强度、刚度和稳定性计算方法提供依据。通过现有的加载方式可知，平台+加力帽式本身存在刚度大、重量大的缺点，而“天花板”式的整个承载框架极为复杂。加载装置作为静力试验最主要的承力构件，因此，开展对箭体静力试验加载装置结构优化的研究对合理化传力形式，应力减小、变形分布更为均匀具有重要意义。因此，设计一种基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法是十分有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，对加载装置合理的拓扑优化，使得传力形式更为合理，应力减小、变形分布更为均匀，对于火箭静力试验具有实用价值。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1：基于建模软件构建简化的火箭静力试验三维模型；

5、步骤2：提取火箭静力试验三维模型中的加载装置的三维模型，进行网格划分，并设置材料属性；

6、步骤3：对加载装置施加载荷，建立边界条件，进行有限元分析，求解应力分布及变形；

7、步骤4：建立柔度响应和材料体积分数响应，以柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，以单元材料密度为设计变量，建立数学优化模型；

8、步骤5：基于拓扑优化计算求解目标函数，并逐步减小体积比；

9、步骤6：根据更新后的结果重新进行三维建模，得到加载装置的设计方案。

10、可选的，步骤1中，基于建模软件构建简化的火箭静力试验三维模型，具体为：

11、基于三维设计软件构建简化的火箭静力试验三维模型，其中，简化的火箭静力试验三维模型包括承力框架、加载装置、加力帽、钢框、过渡段、试验件、作动器及承力平台。

12、可选的，步骤2中，提取火箭静力试验三维模型中的加载装置的三维模型，进行网格划分，并设置材料属性，具体为：

13、提取火箭静力试验三维模型中的加载装置的三维模型，进行网格划分，并设置材料属性，其中，材料属性中的弹性模量为210gpa，泊松比为0.3，密度为7800kg·m-3。

14、可选的，步骤3中，对加载装置施加载荷，具体为：

15、采用c3d20单元，施加载荷为轴压1500吨，平均分配到8个加载装置上，且对加载装置底部施加固定约束。

16、可选的，步骤4中，建立柔度响应和材料体积分数响应，以柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立数学优化模型函数，具体为：

17、对加载装置的三维模型进行有限元离散，将每个单元的材料密度作为设计变量，在0-1之间连续变化，其中，0代表空，1代表实；

18、simp材料插值模型可以表示为：

19、e(xi)＝(xi)pe0

20、假设材料密度在单元格内为常数，以结构的体积作为约束，以连续体结构的柔度最小为目标，搭建基于变密度法的模型为：

21、

22、式中，e0为单元在完全实体状态下的弹性模量，v(x)为材料体积，v0为设计体积，vol为体积的上限，x为单元相对密度矢量，xi为单元设计变量，c为结构柔度，f和u分别为载荷矢量和位移矢量，ki为单元刚度矩阵，k0为初始单元刚度矩阵，xmin是设计变量的下限值，xmax是设计单元的上限值，m为最大单元数，惩罚因子p设置为3。

23、可选的，步骤5中，基于拓扑优化计算求解目标函数，并逐步减小体积比，具体为：

24、基于拓扑优化计算求解目标函数，并将vol依次取值为0.5、0.4及0.25，用于逐步减少体积比。

25、可选的，步骤6中，根据更新后的结果重新进行三维建模，得到加载装置的设计方案，具体为：

26、根据计算得到的拓扑优化结果，选取相应的受力传导路线，提取主要结构，用于增强其结构的强度与刚度，将主受力部件进行加宽10mm处理，并修改其形状，对加载装置两侧的支撑板边框做减重处理，并去除横向支撑板与底部支座部分结构，得到加载装置的设计方案。

27、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，该方法包括基于建模软件构建简化的火箭静力试验三维模型，提取火箭静力试验三维模型中的加载装置的三维模型，进行网格划分，并设置材料属性，对加载装置施加载荷，建立边界条件，进行有限元分析，求解应力分布及变形，建立柔度响应和材料体积分数响应，以柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立优化目标函数，基于拓扑优化计算求解目标函数，并逐步减小体积比，根据更新后的结果重新进行三维建模，得到加载装置的设计方案，做整体的静力试验装置有限元分析，比较优化前后的结果，验证优化结果的可行性；该方法在理论指导下对加载装置结构进行设计，采用逐步降低材料体积占比的方法突出主要承力结构，实现了加载装置结构减重优化设计，结构应力减小，变形分布更为均匀，从而使结构传递给火箭试验部段的载荷更为准确和稳定，为箭体静力试验加载装置结构的优化设计提供理论依据。

技术特征：

1.一种基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，其特征在于，步骤1中，基于建模软件构建简化的火箭静力试验三维模型，具体为：

3.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，其特征在于，步骤2中，提取火箭静力试验三维模型中的加载装置的三维模型，进行网格划分，并设置材料属性，具体为：

4.根据权利要求3所述的基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，其特征在于，步骤3中，对加载装置施加载荷，具体为：

5.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，其特征在于，步骤4中，建立柔度响应和材料体积分数响应，以柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立优化目标函数，具体为：

6.根据权利要求5所述的基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，其特征在于，步骤5中，基于拓扑优化计算求解目标函数，并逐步减小体积比，具体为：

7.根据权利要求6所述的基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，其特征在于，步骤6中，根据更新后的结果重新进行三维建模，得到加载装置的设计方案，具体为：

技术总结
本发明提供了一种基于拓扑优化的火箭静力试验加载装置结构优化设计方法，包括：基于建模软件构建简化的火箭静力试验三维模型，提取火箭静力试验三维模型中的加载装置的三维模型，进行网格划分，并设置材料属性，对加载装置施加载荷，建立边界条件，进行有限元分析，求解应力分布及变形，建立柔度响应和材料体积分数响应，以柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立数学优化模型，基于拓扑优化计算求解目标函数，并逐步减小体积比，根据更新后的结果重新进行三维建模，得到加载装置的设计方案。本发明对加载装置合理的拓扑优化，使得传力形式更为合理，应力减小、变形分布更为均匀，对于火箭静力试验具有实用价值。

技术研发人员：张琪,刘健晨,杜金淮,吴磊,魏金浩,郑少勃
受保护的技术使用者：北华航天工业学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15