[发明专利]一种基于动载荷静力等效的蒙皮桁条结构快速动态优化设计方法

说明书

本发明提出了一种基于动载荷静力等效的蒙皮桁条结构快速动态优化设计方法。本发明运用静力等效技术将求解耗时、收敛性差和计算复杂的动态优化问题转换成技术成熟的静态优化问题。本发明通过考虑关键位置位移和应力约束，以及动静态载荷响应最小化目标，发展了动态载荷静力等效模型。同时，对蒙皮桁条结构进行参数化建模，避免重复建模耗费时间。基于动态载荷静力等效，并结合遗传算法实现动态响应作用下的蒙皮桁条结构尺寸优化(包括周向和竖向桁条数量等)和布局优化(包括桁条截面参数等)的设计。本发明建立了一整套的优化设计流程，对参数进行修改后可适用于其他模型，操作简单，工程实用性较强。

技术领域

本发明涉及一种蒙皮桁条结构动态优化设计方法，同时考虑动态载荷等效静态转换、蒙皮桁条结构参数化建模以及结构桁条布局和尺寸协同优化，可应用于动态载荷工况下的复杂结构的快速优化设计。

背景技术

蒙皮桁条类结构为薄壁加筋圆柱形或圆锥形结构，结构由横纵构件组成的框架和附在其上的蒙皮构成。纵向构件以多种规格的桁条为主，为此类结构的主承力构件，横向构件包括前后端框和中间框，对纵向构件起支撑作用，蒙皮一般厚度较薄起到维型和传递剪力的作用。因为蒙皮桁条结构具有良好的承载性能且能有效减轻结构重量，被广泛应用于大型飞机和运载火箭等结构中。

郝鹏等人在“固体火箭技术”上发表的《基于RBF模型的蒙皮桁条结构减轻孔优化》，2015(05):717-721，提出在蒙皮桁条结构中间框上布置减轻孔，并基于径向基函数代理模型，构造了蒙皮桁条结构减轻孔的后屈曲优化模型，可在小幅提高结构轴压极限承载能力的前提下，实现结构减重。陈美霞等人在“船舶科学技术”上发表的《基于APDL语言的加筋圆柱壳的静动态性能优化设计》，2008(03):65-69，利用ANSYS软件研究了在满足静强度和稳定性要求的约束条件下，以质量最轻、径向蒙皮上振动的均方速度最小为目标的加筋圆柱壳结构优化设计。章凌等人专利CN103678786A“一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法”公开了蒙皮桁条结构强度分析的标准化过程，通过积累的材料数据和结构参数数据，利用分析标准和数据库的效率优势，提高工作效率和分析质量。潘忠文等人专利CN103575555A“基于梁模型的蒙皮加筋结构纵横扭一体化动力学分析方法”公开了蒙皮加筋结构纵横扭一体化动力学分析方法，解决了捆绑火箭纵向与横向、纵向与扭转、横向与扭转模态耦合分析问题，实现了火箭结构纵横扭一体化动力学分析。

很多文献虽然对蒙皮桁条结构的分析和优化设计进行了研究，但是蒙皮桁条结构直接进行动态优化灵敏度分析困难、动态约束难处理，特别是对于复杂结构分析和优化时间长，求解困难。Park等人在“International Journal for Numerical Methods inEngineering”上发表的《Transformation of dynamic loads into equivalent staticloads based on modal analysis》1999,46(1):29-43提出了等效静载荷法(Equivalentstatic loads method，ESLM)，首先识别出结构最可能破坏的关键时间点，该时刻对应一组等效静态载荷，以等效静态载荷作用下结构产生的位移场与结构在动态载荷关键时间点产生的位移场相同为约束条件，以等效静态载荷平方和最小为目标，建立等效模型，求解等效静态载荷。本发明在Park等人基础上，对静力等效模型进行改进，提出了一种动态载荷静力等效新模型，该模型以动态和等效静态载荷作用下位移平均误差最小化为目标，节点位移、应力和结构总能量同时作为约束。基于此新的等效模型，可以准确地得到等效静态载荷。进而，基于改进的等效静态载荷并结合遗传算法，以结构在静态载荷作用下蒙皮和桁条上的最大应力小于许用应力为约束条件，以质量最小化为优化目标，发展了适用于蒙皮桁条结构的动态载荷作用下的快速优化设计方法。

发明内容