[发明专利]一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，其步骤如下：(1)选取导热系数、密度及比热容作为不确定参数，实现各不确定参数的区间表达；(2)提取各层厚度和不确定参数为特征参数，实现全参数化建模、分析及求解；(3)考虑不确定参数相关性，提出相关性因子随机抽样方法，选取试验样本；(4)根据样本构建近似模型，分析不确定参数对响应的影响并优选，建立多层结构温度场不确定性分析方法；(5)分别以各层厚度、各层温度小于许用值、质量最小化为设计变量、约束条件和目标函数构建优化模型，实现多层热防护系统非概率优化设计。本发明通过高效不确定性分析和优化，提升了热防护系统结构效率。

技术领域

本发明涉及多层热防护系统优化设计领域，特别涉及一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法。

背景技术

高超声速飞行器因其飞行速度快、反应时间短、作战半径大、隐蔽性好、突防能力强等优点在未来战争空、天主战场中地位卓然，已成为当今世界大国军备竞赛中争相抢占的制高点。高超声速飞行器长期服役于以气动热、力为主导的多场耦合极端环境下，热防护技术已成为直接制约其发展的瓶颈。为保证飞行员安全和机载设备正常运转，需在飞行器表面大面积铺设热防护结构，加之飞行器对结构重量的敏感性，热防护系统从诞生之日就面临急迫的安全性问题和结构减重问题。因此，基于热防护结构开展低成本、高可靠性、高防隔热性能的优化设计技术研究对于高性能高超声速飞行器研制意义重大。

高超声速飞行器热防护系统多呈现典型的多层结构，即多层热防护系统。多层热防护系统的热分析涉及严酷气动热载、多层结构与多传热方式耦合下的复杂传热机理。飞行器服役过程中，首选是结构受到的气动热载荷表现为随时间高度非线性变化；其次，在结构内部热传导、热辐射和热对流三种传热机制同时存在，三者相互影响、相互耦合在一起，呈现复合传热特点；最后，就热防护结构自身而言，材料性能与结构功能在层与层之间相互影响，加之各层材料的热物性，包括导热系数、密度、比热容等，随着压力和温度的变化呈非线性变化，上述种种均导致温度场响应机理复杂难辨。因此为实现热防护系统高防隔热性能，必须深入研究多层热防护系统的传热机理。

传统多层热防护系统设计优化将不确定性的影响统一纳入经验性的安全系数而不进行深入考究，往往造成某些层冗余某些层失效、有悖于低成本与高安全可靠性要求的设计；特别是在严酷气动热强作用下忽略材料热物性参数的不确定性将直接影响结构防隔热性能，进而对飞行器的安全服役产生颠覆性影响。因此，为提高飞行器服役安全可靠性并降低成本，需要对多层热防护系统进行考虑不确定性的结构设计。但是，各层结构传热与储热效率不同且各层之间相互耦合，各材料热物性参数对温度场响应的影响难以辨明，使得多层热防护结构不确定性分析更加困难。因此，深入研究各类不确定性因素的影响，发展高精度不确定性分析与优化设计方法，健全综合考虑各类不确定性的精细化结构设计体系成为未来低成本、高可靠性热防护系统设计的必然趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，可以在保证多层热防护系统在防隔热性能安全可靠的前提下，有效降低结构质量，提升了热防护系统的使用性能。

本发明采用的技术方案为：一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)、根据热防护系统真实服役环境决定的性能与构型需求，多层热防护系统由n层不同功能的不同材料结构组成；考虑到材料导热系数、密度和比热容等热物性参数均会随温度变化，各热物性参数随温度变化的材料属性曲线需通过一系列特定温度对应的热物性参数值插值拟合得到，记各层导热系数、密度和比热容分别为k_ij，ρ_ij和c_ij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，其中，i和j为变量编号，n为多层热防护结构总层数，m为选取特定温度的数量，导热系数、密度、比热容对应的特定温度分别记为和