[发明专利]基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法

权利要求书

1.基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、分析工程结构装配关系与环境载荷约束条件，确定工程结构的优化设计域；

步骤S2、搭建ANSYS下的结构拓扑优化环境，完成拓扑以获得结构设计域的主传力路径；

步骤S3、借助SolidWorks对所得到的拓扑构型几何边界进行多边形拟合，获得新结构形式；

步骤S4、通过力学仿真分析，对新结构力学性能进行分析校核，并选定新结构中关键部件的相应形状尺寸作为优化设计变量；

步骤S5、搭建ANSYS和SolidWorks的联合仿真环境，对相应形状尺寸优化变量以离散组合方式开展形状尺寸优化；

步骤S6、通过力学仿真分析，对所获得的优化结构力学性能进行校核；

步骤S7、判断当前优化结构力学性能的收敛性，当所优化的结构力学性能满足要求时，优化迭代结束，执行步骤S9，否则执行步骤S8；

步骤S8、根据力学性能的校核结果，对新结构中的相应优化变量作调整，并执行步骤S5；

步骤S9、对获得的优化结构，根据相似理论创建缩比模型，并作相应工程简化与冗余处理；

在步骤S9中，采用的相似理论具体实现过程如下：

利用结构非线性平衡方程，并做泰勒展开写成增量形式为：

Kδx＝δF

式中，K为刚度矩阵，δx为结构变形的几何线性增量，δF为对应δx下的结构载荷增量；

对结构划分有限元网格类型包括六面体砖块元、三维四面体单元、三角形棱柱单元，这里以六面体砖块元为例，刚度矩阵K可描述为：

式中，f为结构内力，E为材料属性，a、b、c分别为六面体砖块元的长宽高尺寸参数；

要保证缩比模型与实际结构在相似载荷δF作用下，位移δx也具备相似性，则需保证刚度矩阵K的相似性：

式中，S_K为缩比模型刚度矩阵K_m与实际结构刚度矩阵K_p的比值，S_f为缩比模型结构内力值f_m与实际结构内力值f_p的比值，S_V为缩比模型体积大小V_m与实际结构体积大小V_p的比值，S_E为缩比模型材料弹性模型E_m与实际结构材料弹性模量E_p的比值，S_l为对应的缩比模型结构尺寸参数l_m与实际结构尺寸参数l_p的比值，m为缩比模型的相应参数，p为实际结构的相应参数，V为结构体积，l为结构所有尺寸参数的统一表示；

从而，增量位移的相似比为：

式中，S_δx为缩比模型结构变形的几何线性增量δx_m与实际结构变形的几何线性增量δx_p的比值，S_δF为缩比模型结构载荷增量δF_m与实际结构载荷增量δF_p的比值；

即在只考虑结构线性变形条件下，可对缩比模型施加相似比为δF的载荷，测得缩比模型的变形位移δx_m后，可由位移相似比S_δx推导出实际结构的位移δx_p；

步骤S10、搭建物理实验平台，完成对缩比模型的工程可靠性验证，并判断当所设计结构满足可靠性要求时，执行步骤S11，否则执行步骤S1；

步骤S11、输出优化结果，得到满足工程要求的设计结构。

2.如权利要求1所述的基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法，其特征在于，在步骤S1中，对工程结构装配关系进行分析时，考虑结构装配体的运动干涉问题，从而确定结构设计域与非设计域的尺寸范围。

3.如权利要求1所述的基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法，其特征在于，在步骤S1中，设置的相应环境载荷约束条件信息包括静力学载荷、动力学载荷、材料属性许用约束、结构边界位移约束。