[发明专利]一种激光喷丸变刚度轻量化方法

说明书

本发明公开了一种激光喷丸变刚度轻量化方法，包括以下步骤：确定构件的极限尺寸；对构件进行激光喷丸强化试验，设置多组强化参数；对构件进行材料性能测试，获取材料性能提升数据；确定拓扑优化强化区域；根据材料性能提升数据对构件的截面尺寸进行优化；评估优化后构件的静/动强度、刚度、承载能力、可靠性指标，并判断是否符合设计要求，如果否，则重复确定拓扑优化强化区域步骤；如果是，则完成构件的设计。本发明所提供的激光喷丸变刚度轻量化方法，构件处理可靠性强，利用激光喷丸强化和结构优化设计，对已经轻量化设计的航天整体构件进一步的轻量化改进，提升减重效率，增大有效载荷，适用于航空长期服役构件和汽车轻量化构件的处理。

技术领域

本发明涉及航天构件设计领域，特别是涉及一种激光喷丸变刚度轻量化方法。

背景技术

结构优化设计(Optimum Structural Design)指在给定约束条件下，按某种目标(如重量最轻、成本最低、刚度最大等)求出最好的设计方案，曾称为结构最佳设计或结构最优设计，相对于“结构分析”而言，又称“结构综合”，例如，以结构的重量最小为目标，则称为最小重量设计。

在航天、航空及汽车工业中，结构重量关系到有效载荷比、燃油消耗率等关键性参数，轻量化设计在结构优化中占有至关重要的地位。结构优化设计的特点是基于数值仿真技术的多学科综合设计理念，采用遗传算法、神经网络、并行计算等先进算法，对构件进行尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

目前，航天、航空领域中，广泛采用的结构轻量化设计主要有：1)夹层结构，其基本构造形式是由上下两块薄而强的面板和填在其中并与面板牢固连接起来的轻质芯材所组成；夹层结构的特点是抗弯刚度大、可提高材料有效利用率、可减轻重量；2)格栅结构，又称材料网格结构，其基本构型是由加强筋构成的多边形网格；格栅结构的特点：自稳定性高，结构抗屈曲能力强，比强度和比刚度高，检测和修补方便等；3)点阵结构，其构型是由节点和连接节点的杆单元组成的类似于桁架体系的三维空间周期性结构；点阵结构特点是：自稳定性高，结构抗屈曲能力强，承载力高，材料利用效率高；4)桁架结构，其构型特点是由平行于桁架纵向中心轴的纵向肋条和围绕中心轴均匀布置的螺旋向肋条相互交织构成的一种轴对称桁架结构；桁架结构特点是结构减重高，整体性强，承载能高等。

然而，目前的结构轻量化设计，主要集中于构件空间结构的拓扑优化、尺寸优化等算法理论方向，设计阶段与制造阶段缺乏信息反馈，构件轻量化设计的潜力还未完全开发。

因此，如何在保证构件性能的同时，实现构件的轻量化设计，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光喷丸变刚度轻量化方法，利用激光喷丸强化和结构优化设计，可以对已经轻量化设计的航天整体构件进行进一步的高性能轻量化改进，提升减重效率，增大有效载荷。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光喷丸变刚度轻量化方法，包括以下步骤：

步骤S1：对构件进行结构设计，确定所述构件的极限尺寸；

步骤S2：采用相同牌号和热处理状态的材料截取所述构件，并对所述构件进行激光喷丸强化试验，设置多组强化参数；

步骤S3：对所述构件进行材料性能测试，获取材料性能提升数据；

步骤S4：确定拓扑优化强化区域，建立数学模型、设定目标函数和约束条件，采用有限元求解激光喷丸强化区域面积、数量和布局形式；

步骤S5：根据所述材料性能提升数据对所述构件的截面尺寸进行优化；

步骤S6：评估优化后所述构件的静/动强度、刚度、承载能力、可靠性指标，并判断是否符合设计要求，如果否，则重复所述步骤S4；如果是，则完成所述构件的设计。

优选的，所述步骤S1包括：