一种导弹舱段径向连接结构轻质化设计系统

摘要

一种导弹舱段径向连接结构轻质化设计系统，它包括优化定义模块L1、全局搜索模块L2、局部锁定模块L3和结构分析模块L4四部分；优化定义模块L1为整个优化系统的初始设定，贯穿整个系统的工作过程；全局搜索模块L2和局部锁定模块L3为系统优化工作的两个阶段，全局搜索模块L2实现在大范围广域上的一个粗略搜索；局部锁定模块L3是在全局搜索L2模块的基础上进一步沿梯度方向优化得到最优设计方案；结构分析模块L4为系统优化过程中对于设计方案获取结构分析反馈的手段；该四个模块相互独立，通过模块间信息的交互实现每一模块相应的功能，最终快速地实现对导弹舱段径向连接结构的优化设计。

主权项

一种导弹舱段径向连接结构轻质化设计系统，其特征在于：它包括优化定义模块L1、全局搜索模块L2、局部锁定模块L3和结构分析模块L4四部分；优化定义模块L1为整个优化系统的初始设定，贯穿整个系统的工作过程；全局搜索模块L2和局部锁定模块L3为系统优化工作的两个阶段，全局搜索模块L2实现在大范围广域上的一个粗略搜索；局部锁定模块L3是在全局搜索L2模块的基础上进一步沿梯度方向优化得到最优设计方案；结构分析模块L4为系统优化过程中对于设计方案获取结构分析反馈的手段；该四个模块相互独立，通过模块间信息的交互实现每一模块相应的功能，最终实现对导弹舱段径向连接结构的优化设计；所述优化定义模块L1是对导弹舱段径向连接结构优化设计问题的定义，包括设计变量定义模块L11、优化目标定义模块L12和约束条件定义模块L13三部分；它们彼此之间是相互并列的关系；该设计变量定义模块L11是对导弹舱段径向连接结构优化过程中设计变量的定义，定义径向螺栓的直径和个数、两个舱段连接部分的各宽度和厚度共9个变量为设计变量，数学表达如下：X={n,d,t,h1,h2,a1,a2,a3,a4};其中，X为设计变量组，由9个变量组成：n为螺栓个数，整型变量；d为螺栓直径，整型变量，单位为mm，由螺栓直径确定选用的螺栓规格，即确定螺栓的各个具体尺寸；t为舱段连接框A、B薄壁区域的厚度，浮点型变量，单位为mm；h1为舱段连接框A连接区域的厚度，浮点型变量，单位为mm；h2为舱段连接框B连接区域的厚度，浮点型变量，单位为mm；a1为舱段连接框A连接区域的宽度，浮点型变量，单位为mm；a2为舱段连接框A阶梯过渡段宽度，浮点型变量，单位为mm；a3为舱段连接框B局部加厚区域的宽度，浮点型变量，单位为mm；a4为舱段连接框B端面到螺栓孔中心线的轴向距离，浮点型变量，单位为mm；各变量取值范围与导弹舱段直径、材料和承载情况有关，根据要优化的导弹舱段径向连接结构进行各变量取值范围的设定；该优化目标定义模块L12是对导弹舱段径向连接结构优化过程中优化目标的定义，定义导弹舱段径向连接结构整体质量最小为优化目标；数学表达式如下：Min(W)；其中，W为导弹舱段径向连接结构整体质量，单位为kg；该约束条件定义模块L13是对导弹舱段径向连接结构优化过程中约束条件的定义，从结构强度和刚度的角度出发，强度满足结构材料的性能，刚度满足两个舱段不发生脱节；分别定义结构最大应力小于结构材料的许用应力，舱段连接框A和舱段连接框B沿轴向的错位位移小于特定值；数学表达式如下：S=(s1,s2,s3,dis)其中，S为约束条件，由两部分组成：s1,s2,s3为强度约束，分别对应舱段连接框A、舱段连接框B、螺栓的最大应力小于对应结构材料的许用应力；dis为刚度约束，对应舱段连接框A和舱段连接框B在连接处沿轴向发生的错位小于特定值，各约束具体取值与结构材料和承载情况有关；所述全局搜索模块L2由优化工具构成；其中，优化工具的工作过程为：将初始设计方案提交到结构分析模块L4进行结构分析，读取分析结果判断是否满足优化终止条件，如满足则优化结束，否则根据系统设定的更新方法给出新的设计方案，再次进行结构分析，不断重复以上过程，直到满足优化终止条件，其中更新方法和优化终止条件在不同模块中不同；全局搜索模块中的更新方法是依据试验方案表的编排，优化终止条件是试验方案是否完成；其中，试验方案表是根据拉丁超立方试验设计方法针对9个设计变量在取值范围内制定的，实现对全局区域的样本点均布；样本点的个数一般为10^～200个，样本点越多，优化效果越好，但相应的计算效率也会越低；所以全局搜索模块L2的工作过程如下：以试验方案表为参考，依次将每个样本点方案提交到结构分析模块L4，L4处理结束后将相应方案反馈返回；完成试验方案表中所有样本点的结构分析后，则试验方案完成，优化工具对所有样本点结果进行对比，选择可行域内优化目标最小的样本点作为最优局部区域标志，将其提交到局部锁定模块L3；所述局部锁定模块L3同样由优化工具构成，只是更新方法和优化终止条件和全局搜索模块L2不同；局部锁定过程中更新方法是依据SQP序列二次规划梯度优化算法，其中，SQP序列二次规划梯度优化算法是一种针对非线性问题的数学求解方法，优化终止条件是满足收敛条件，其中，收敛条件是指两组设计方案的目标值差异在精度范围内，精度一般选用0.1%～10%，精度越高，优化效果越好，但相应地会延长系统工作时间；所以局部锁定模块L3的工作过程如下：首先将全局搜索模块L2确定的最优局部区域标志提交到结构分析模块L4，结构分析模块L4处理结束后将相应方案反馈返回；优化工具根据SQP序列二次规划梯度优化算法对反馈进行分析给出新一组设计方案，再次提交到结构分析模块L4处理，结构分析模块L4处理结束后再将相应方案反馈返回；重复以上过程，直到该过程满足收敛条件，则优化系统完成工作，确定最终一组设计方案为最优设计方案；所述结构分析模块L4是对设计方案进行结构仿真并分析，从分析结果中提取出优化所需的信息作为方案反馈返回，它由以下6个部分组成：几何外形L41，外载条件L42，结构材料L43，单元属性L44，分析求解L45，结果处理L46；它们彼此之间是相互并列的关系；该几何外形L41实现对结构外形的仿真，建立导弹几何结构模型；它包括：舱段连接框A的具体尺寸、舱段连接框B的具体尺寸、螺栓的具体尺寸、托板螺母的具体尺寸及彼此间的相对位置；其中，舱段连接框A、舱段连接框B的外径为0.6m～1.4m，长度与外径相关，数值上表现为比外径小0.2m，分为薄壁区域和连接区域，连接区域的厚度为t，宽度为总长与薄壁区域的差，舱段连接框A连接区域的厚度为h1，宽度为a1，与薄壁部分阶梯过渡段宽度为a2，舱段连接框B连接区域的厚度为h2，宽度为a3，螺栓位于距离舱段连接框B端面a4的位置上，螺栓个数为n，螺栓直径为d，根据螺栓直径选定相应规格的螺栓和托板螺母，确定螺栓和托板螺母的细节尺寸;以上仿真建模过程中部分尺寸为设计变量，故将建模过程中设计变量以如下形式定义：n=[n],d=[d],t=[t],h1=[h1],h2=[h2],a1=[a1],a2=[a2],a3=[a3],a4=[a4]；新的设计方案会将各变量新的数值赋值于[*]，从而实现结构几何模型的自动化更改过程；该外载条件L42实现结构承受载荷的定义，它包括：位移限制和载荷施加；位移限制是将舱段连接框A薄壁区域远端固定；载荷施加包括轴向的拉压，径向的剪切，垂直于轴向的弯矩以及其他形式的载荷；根据要优化导弹舱段径向连接结构进行载荷数值的设定；该结构材料L43实现对结构材料属性的定义；它包括舱段连接框A的材料定义、舱段连接框B的材料定义、螺栓的材；定义和托板螺母的材料定义；其中材料定义是指定结构材料的弹性模量，泊松比，密度参数；舱段连接框A、B选用材料有铝合金，镁合金以及复合材料；螺栓和托板螺母选用45号钢或其他合金钢；该单元属性L44实现对仿真结构模型单元的定义；它包括舱段连接框A的单元定义、舱段连接框B的单元定义、螺栓的单元定义、托板螺母的单元定义；舱段连接框A、B薄壁区域选用四节点壳单元，连接区域选用四节点体单元，螺栓和托板螺母选用六面体单元，并将所有体单元定义为接触体，考虑彼此间接触作用；该分析求解L45实现结构在定义环境下响应的求解；选用求解器对整体结构进行非线性接触分析；其中，求解器选用现有成熟软件；该结果处理L46实现对分析结果进行处理，选取优化过程中关心的响应；在结构分析完毕后，求解器会输出结构每个单元的质量信息，应力信息与位移信息，从中组合得到结构整体质量，结构各部分最大应力，两个舱段连接框在连接处沿轴向发生的错位位移；具体数学表达如下：W=∑w_i；s1=max(s1_i)，s2=max(s2_i)，s3=max(s3_i)；dis=max(dis2_i‑dis1_i)；其中，w_i为结构各单元质量，s1i,s2i,s3i分别为舱段连接框A、舱段连接框B、螺栓和托板螺母每个单元的应力值，dis1_i,dis2_i分别为位于舱段连接框A、舱段连接框B通孔中心线上的单元的位移信息。