[发明专利]用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及系统

说明书

本发明公开一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及系统，该方法首先根据复合材料X型支架的结构特征，确定设计参数，建立参数化几何模型；然后对含燃料储箱和复合材料X型支架的整体模型进行有限元分析，确定位移边界条件；再基于参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型，利用实验设计方法获得优化设计变量；再基于参数化几何模型、位移边界条件和优化设计变量，建立优化设计模型，获得满足约束条件的优化设计参数；最后基于优化设计参数并选择铺层方式，建立基于铺层的有限元模型进行强度校核分析，获得满足强度设计要求的复合材料X型支架结构。该设计方法设计出的复合材料X型支架结构具有轻质高强的优点。

技术领域

本发明涉及运载火箭结构设计技术领域，尤其是一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及系统。

背景技术

随着太空探索需求的快速增加，新型运载火箭的研发日益迫切。新型运载火箭对结构轻量化的要求更加严格，而复合材料因其高比强度、比刚度等优点成为航天器结构件的首选材料之一。大量实践证明，相比于同性能的金属材料结构，在航空航天产品中应用复合材料可以减重10～50％，费用可以降低10～20％。

在运载火箭整个发射过程中，复合材料X型支架先承受拉伸载荷后承受压缩载荷。由于燃料储箱尺寸大，所携带的燃料多，复合材料X型支架需承受的拉压载荷均较大。因此，在复合材料X型支架的结构设计中必须满足强度和稳定性要求。

复合材料X型支架作为运载火箭中的一种新型结构件，其结构形式和材料体系均不同于原有的金属支架，因此不能简单地借用原有金属支架的结构设计方法。为了满足上述设计要求，需要结合复合材料各向异性的力学性能特点，利用结构优化设计方法对复合材料X型支架的外形尺寸和厚度值进行优化设计，最终获得满足设计要求的复合材料X型支架结构。

发明内容

本发明提供一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构优化设计方法及系统，用于克服现有技术中的缺陷，实现设计出的复合材料X型支架结构既能够减轻重量又满足强度要求。

为实现上述目的，本发明提出一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架结构设计方法，包括以下步骤：

S1：基于复合材料X型支架的结构特征，提取复合材料X型支架的设计参数，根据结构特征和设计参数建立复合材料X型支架结构的参数化几何模型；

S2：基于S1获得的结构特征及设计参数，建立含燃料储箱和复合材料X型支架的有限元模型；基于所述有限元模型分析获得复合材料X型支架受燃料储箱变形影响长臂接头段相对短臂接头段沿燃料储箱径向的相对变形量；基于所述相对变形量及安全系数，确定复合材料X型支架结构优化设计的接头段位移边界条件；

S3：基于S1获得的参数化几何模型，建立复合材料X型支架的有限元模型，利用实验设计方法来确定S1获得的各个设计参数对约束响应的影响程度，从而对设计参数进行筛选，获得所需的优化设计变量；

S4：基于S1～S3获得的参数化几何模型、位移边界条件和优化设计变量，以重量最轻为目标建立复合材料X型支架优化设计模型，利用响应面法对复合材料X型支架的优化设计变量进行优化，从而获得满足约束条件的复合材料X型支架优化设计参数；

S5：对S4获得的优化设计参数进行校核分析，当利用优化设计参数构建的复合材料X型支架结构满足强度设计要求时，输出S4的设计结果。

优选地，所述S1具体为：

S11：根据复合材料X型支架的结构特征，将所述复合材料X型支架分解为四个部分：接头段、过渡段、等直段和交叉段；

S12：根据所述接头段、过渡段、等直段和交叉段的结构特征，分别提取设计参数；

S13：基于S12获得的设计参数建立复合材料X型支架的参数化几何模型。