CN106777617B - 一种二级箱间段结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

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方法，本发明主要包括二级箱间段结构的叉子单元上接头拓扑优化和设计优化两部分，具体为：根据结构载荷形式，对箱间段叉子单元进行拓扑优化，得到粗略结构形式；根据具体的结构载荷及总体结构设计要求，在拓扑优化得到的结构形式基础上进行设计优化，得到箱间段叉子单元接头的具体参数；对箱间段叉子单元及相邻的火箭壳体进行联合建模，校核二者互为真实边界后的结构强度；对上接头结构的具体几何参数进行优化，获得详细的结构参数。本发明能够提高杆系部段叉子单元的接头集中载荷的扩散效率，降低接头应力水平，解决箱间段叉子单元接头的局部强度问题。

Description

一种二级箱间段结构优化设计方法

技术领域

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方法。

背景技术

结构优化、特别是结构拓扑优化技术在各类结构设计中具有重要意义。基于先进的有限元数值分析技术发展起来的现代结构拓扑优化技术已经在航空航天、交通运输等部门得到了成功的应用，如在飞机等关键部件设计中获得了可观的优化收益。

芯二级氢箱和二级氧箱之间通过杆系形式的二级箱间段连接，在试验或者飞行中主要受轴拉/轴压载荷作用。对传统设计给出的结构形式经过有限元分析表明：箱间段杆系上接头在轴拉工况下发生三点弯曲，存在大面积的高应力区，不满足强度要求。为能得到满足设计要求的上接头结构形式，必须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下降，达到预期性能指标。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种二级箱间段结构优化设计方法，该方法能够提高杆系部段叉子单元的接头集中载荷的扩散效率，降低接头应力水平，解决箱间段叉子单元接头的局部强度问题。本发明适合于运载火箭杆系部段叉子单元的接头设计，有利于降低接头应力水平，提高结构承载能力。

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方法，主要包括二级箱间段结构的叉子单元上接头拓扑优化和设计优化两部分，具体步骤如下：

第一步，对二级箱间段结构的叉子单元上接头进行拓扑优化

传统设计给出的叉子单元上接头结构，在部段轴拉载荷作用下，结构局部存在很高的集中应力，不满足强度要求。为能得到满足设计要求的上接头结构形式，本发明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下降。

1.1)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。

1.2)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；

1.3)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。

以上接头拓扑优化模型刚度最大(最小柔顺性)为设计目标，给定结构重量上限，对优化设计域内的材料密度分布进行设计，在OptiStruct中定义求解二级箱间段结构的最小柔顺性优化问题，得到上接头拓扑优化设计结果，即二级箱间段接头的具体参数。

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。

1.4)根据步骤1.3)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，进行有限元分析，得到有利于箱间段上接头集中应力的扩散的上接头结构形式，该上接头结构形式能够避免局部三点弯曲效应，降低接头应力水平，结构满足强度要求。

第二步，对二级箱间段结构的叉子单元上接头进行设计优化

在第一步1.4)得到的上接头结构形式的基础上，考虑上接头自身强度及总体要求、工艺等，对上接头结构的具体几何参数进行优化，获得详细的结构参数。经过设计优化后，叉子单元接头材料为钛合金ZTC4。该结构形式满足总体结构要求，构型比较简单，易于加工制造，且有利于装配以及集中应力扩散，经有限元分析和地面静力试验验证，该结构满足强度要求。

本发明的有益效果为：在叉子单元上接头优化前，该结构在轴拉载荷作用下存在三点弯曲问题，大面积材料应力、应变水平过高，不满足强度要求。采用本发明的“三爪”结构形式的上接头后，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2为为上接头拓扑优化历程曲线；

图3为设计优化后叉子单元上接头结构形式。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种二级箱间段结构优化设计方法，主要包括二级箱间段结构的叉子单元上接头拓扑优化和设计优化两部分，整个过程如图2所示，步骤如下：

第一步，根据结构载荷形式，对二级箱间段结构的叉子单元进行拓扑优化，得到粗略结构形式，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下降。

1.1)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。

1.2)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；

1.3)以上接头拓扑优化模型刚度最大(最小柔顺性)为设计目标，给定结构重量上限，对优化设计域内的材料密度分布进行设计，在OptiStruct中定义求解二级箱间段结构的最小柔顺性优化问题，得到上接头拓扑优化设计结果，即二级箱间段接头的具体参数。

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。

1.4)根据步骤1.3)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，进行有限元分析，得到有利于箱间段上接头集中应力的扩散的上接头结构形式。

第二步，对二级箱间段结构的叉子单元上接头进行设计优化

在第一步1.4)得到的上接头结构形式的基础上，考虑上接头自身强度及总体要求、工艺等，对上接头结构的具体几何参数进行优化，获得详细的结构参数。结果表明上接头“三爪”结构的结构形式(如图3所示)有利于箱间段接头集中应力的扩散，避免了局部三点弯曲效应，降低了接头应力水平，结构满足强度要求。

Claims (1)

1.一种二级箱间段结构优化设计方法，其特征在于以下步骤：

第一步，对二级箱间段结构的叉子单元上接头进行拓扑优化，通过拓扑优化的手段重新设计上接头结构形式，使得上接头结构应力水平下降；

1.1)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；在设计域中预留螺帽的空间，用于安装螺栓；

1.2)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；

1.3)以上接头拓扑优化模型刚度最大、最小柔顺性为设计目标，给定二级箱间段结构重量上限，对优化设计域内的材料密度分布进行设计，求解二级箱间段结构的最小柔顺性优化问题，得到上接头拓扑优化设计结果，即二级箱间段接头的具体参数；

1.4)根据步骤1.3)得到二级箱间段上接头的具体参数及其他部件原始参数，在有限元分析软件中建立箱间段叉子单元及相邻火箭壳体的联合模型，进行有限元分析，得到有利于箱间段上接头集中应力的扩散的上接头结构形式；

第二步，对二级箱间段结构的叉子单元上接头进行设计优化；

在第一步1.4)得到的上接头结构形式的基础上，考虑上接头自身强度及总体要求、工艺，对上接头结构的几何参数进行优化，获得结构参数。