一種二級箱間段結構優化設計與強度分析方法與流程

本發明屬于航天艙段結構設計領域，涉及一種二級箱間段結構優化設計與強度分析方法。

背景技術：

箱間段是一種被廣泛使用的多型運載火箭中的結構段，箱間段的強度分析是一項重要的工作。傳統工程算法，雖然能快速估計結構強度，但精度較低：作為氧箱/氫箱的連接段，工程算法很難全面考慮不同部段之間的相互作用。另外復雜結構、復雜載荷下傳力路徑很復雜，工程算法很難做出合理假設。有限元強度分析方法能獲得較真實的傳力路徑及箱間段承力分布，也可以較準確的模擬接觸面非線性效應，具有較高精度。

本發明以有限元分析為基礎，結合拓撲優化技術重新設計箱間段上接頭結構形式，使得該區域應力水平下降，并且分析評估了新結構在復雜載荷、復雜邊界下的強度問題，大幅提高工作效率。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種二級箱間段結構優化設計與強度分析方法，本發明基于有限元強度分析技術和拓撲優化方法，建立聯合仿真模型重新設計箱間段接頭結構，提高叉子單元的集中載荷擴散效率，降低局部應力水平，解決箱間段的局部強度問題。快速準確地進行箱間段聯合建模、強度分析及評估。本發明提供一種適合于桿系結構的強度分析技術以及桿系的接頭優化設計方法，其中：優化技術的使用可以降低接頭應力水平，提高結構承載能力；強度分析技術可以更全面更真實地考核結構的強度問題。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種二級箱間段結構優化設計與強度分析方法，具體包括以下步驟：

第一步，對二級箱間段結構的原始設計強度校核

1.1)所述的二級箱間段由N個重復單元組成,根據二級箱間段的結構載荷形式，采用Abaqus有限元軟件建立1/N箱間段的有限元模型，考慮對稱性，選取原有限元模型的1/2N(上述結構“1/N”的1/2)進行有限元分析。所述的N的個數由實際情況確定。

1.2)根據1.1)的結果得到二級箱間段結構的應力分布：在軸壓載荷作用下，二級箱間段結構滿足強度要求；在軸拉載荷作用下，二級箱間段結構的叉子單元的上接頭有很大的高應力區域，不滿足強度要求，由自身結構形式導致的三點彎曲引起。因此本發明擬通過拓撲優化的手段重新設計上接頭結構形式，使得該區域應力水平降低。

第二步，基于OptiStruct的上接頭拓撲優化設計，得到上接頭拓撲優化模型

2.1)依據OptiStruct軟件中拓撲優化問題的求解算法(SIMP)，二級箱間段結構的最小柔順性設計使結構整體剛度最大，并且應變場在一定水平上趨于均勻分布，這就使最小柔順性的設計結果往往也促使應力分布更為均勻。另一方面，因奇異性導致的針對應力的拓撲優化困難，也使在工程中直接把應力為目標或者約束來優化顯得尤其困難，所以構造最小柔順性優化問題。

即，依據OptiStruct軟件中拓撲優化問題的求解算法(SIMP)，構造最小柔順性優化問題：

(a)目標：二級箱間段結構的最小柔順性設計使結構整體剛度最大。

(b)約束：確定體積用量，作為約束上限。所述的體積用量為整體二級箱間段結構的10％。

(c)設計變量：優化設計域內單元密度。

2.2)在HyperMesh中建立原二級箱間段結構的上接頭模型，用一塊實體的設計域包圍原有上接頭，建立上接頭拓撲優化模型；并考慮螺栓的安裝需求，在設計域中預留出螺帽所占用的空間。

2.3)簡化上接頭拓撲優化模型，將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力，近似等效軸拉工況；完成上接頭拓撲優化的模型建立工作，然后將第二步2.1)的最小柔順性優化問題在OptiStruct中定義求解，得到上接頭拓撲優化設計結果，即二級箱間段上接頭的具體參數。

因為拓撲優化只為尋找最佳的傳力路徑，據此給出概念設計，并不需要進行十分精確的非線性分析，考慮到接頭的實際約束和受力情況，優化模型予以簡化，直接將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力來近似等效軸拉工況。

第三步，上接頭拓撲優化模型的局部強度校核

根據第二步得到二級箱間段上接頭的具體參數及其他部件原始參數，在有限元分析軟件Abaqus中建立箱間段叉子單元及相鄰火箭殼體的聯合模型，校核二者互為真實邊界后的二級箱間段上接頭結構強度，該區域應力水平降低。

在軸向拉伸工況下，上接頭優化設計模型的應力分布，可以看出由于這種更新的接頭樣式避免了原始設計模型中的三點彎曲受力狀態的發生，上接頭局部的高應力水平得到有效降低，同時在一定程度上減小了高應力區域。

本發明的有益效果為：采用了有限元方法、且融合工程經驗，基于拓撲優化技術進行聯合強度分析以及局部結構優化，大幅提高分析精度，取得了減重、優化、承力高等更優性能。聯合設計得到的箱間段結構一次性通過地面靜力試驗考核，應力水平得到極大的降低，結構承載力明顯提高。

附圖說明

圖1為拓撲優化模型圖；

圖2為上接頭拓撲優化結果圖。

具體實施方式

一種二級箱間段結構優化設計與強度分析方法，具括以下步驟：

第一步，對二級箱間段結構的原始設計強度校核

1.1)采用Abaqus有限元軟件建立1/N箱間段的有限元模型，選取原有限元模型的1/2N進行有限元分析；

1.2)根據1.1)的結果得到二級箱間段結構的應力分布：

軸壓載荷作用下，二級箱間段結構滿足強度要求；

軸拉載荷作用下，通過拓撲優化的重新設計上接頭結構形式，降低該區域應力水平；

第二步，基于OptiStruct上接頭拓撲優化設計，得到上接頭拓撲優化模型

2.1)依據OptiStruct軟件中拓撲優化問題的求解算法SIMP，構造最小柔順性優化問題：

(a)目標：二級箱間段結構的最小柔順性設計保證結構整體剛度最大；

(b)約束：確定體積用量，作為約束上限；

(c)設計變量：優化設計域內單元密度；

2.2)在HyperMesh中建立原二級箱間段結構的上接頭模型，用一塊實體的設計域包圍原有上接頭，建立上接頭拓撲優化模型；并考慮螺栓的安裝需求，在設計域中預留出螺帽所占用的空間；

2.3)簡化上接頭拓撲優化模型，將螺栓孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力，近似等效軸拉工況，完成上接頭拓撲優化的模型建立工作；將第二步2.1)的最小柔順性優化問題在OptiStruct中定義求解，得到上接頭拓撲優化設計結果，即二級箱間段上接頭的具體參數；

第三步，上接頭拓撲優化模型的局部強度校核

根據第二步得到二級箱間段上接頭的具體參數及其他部件原始參數，在有限元分析軟件Abaqus中建立箱間段叉子單元及相鄰火箭殼體的聯合模型，校核二者互為真實邊界后的二級箱間段上接頭結構強度，該區域應力水平降低。