[发明专利]一种可重复使用飞行器前舱热防护系统多目标可靠性优化设计方法

摘要

本发明公开了一种可重复使用飞行器前舱热防护系统多目标可靠性优化设计方法，其步骤如下：(1)根据飞行器前舱热防护系统分区隔热原理，实现热防护系统从几何建模到有限元建模的全参数化建模流程；(2)考虑材料分散性，基于不确定传播分析理论，对温度场进行不确定评估；(3)基于红外辐射的基本原理，建立了红外辐射的计算方法。考虑材料分散性，实现红外辐射强度分散性评估；(4)以热防护系统尺寸为设计变量，温度可靠性为约束，结构质量和表面热防护红外辐射强度为目标，实现了前舱热防护系统的多目标可靠性优化设计。本发明在保证前舱热防护系统温度高可靠性的前提下降低了热防护系统的质量，提升了热防护系统的使用性能。

主权项

1.一种可重复使用飞行器前舱热防护系统多目标可靠性优化设计方法，其特征在于实现步骤如下：步骤(1)、根据可重复使用飞行器前舱热防护系统温度分布和构型需求，将前舱热防护系统分为m个区域；步骤(2)、选取步骤(1)中的各个区域热防护系统厚度作为设计变量，记为X，X＝(x1,x2,…,xn)，n为步骤(1)中所涉及厚度数目之和；各厚度被限定在给定范围内，即xi∈[xi_min,xi_max]，i＝1,2,…,n，其中xi_min为给定xi范围的最小值，xi_max为给定xi范围的最大值，依靠工程经验以及工程造价条件给定；步骤(3)、飞行器前舱热防护系统有限元模型参数化建立：在几何建模时，提取各设计变量作为控制三维模型的特征参数，当各设计变量在给定范围内任意改变时，能够实现几何自动建模，从而完成基于所选设计变量的几何参数化建模；步骤(4)、采用以几何模型为驱动的有限元模型参数化建模方法，实现飞行器前舱热防护系统有限元模型参数化建立；步骤(5)、基于再入过程弹道数据，采用耦合传热方法，考虑气动热与结构传热之间的相互影响，实现全弹道过程中前舱热防护系统瞬态温度场分析；步骤(6)、考虑材料分散性，以材料导热系数和发射率为区间不确定输入参数，通过不确定分析方法实现全弹道过程中前舱热防护系统瞬态温度场不确定分析，得到热防护系统内表面最高温度界限的时间历程，记为步骤(7)、给定热防护系统内表面许用最高温度引入非概率可靠性指标，计算实际弹道过程中各时刻热防护系统内表面温度小于许用最高温度的可靠度步骤(8)、基于步骤(4)得到的有限元模型，提取表面网格信息，面网格数目为N，每个网格可当成是一个红外辐射面源，根据红外辐射强度理论，可得到任一辐射源的辐射亮度，记为Lk,k＝1,2,…,N，表达式为：式中，Tk为第k各辐射源的温度，通过步骤(5)中瞬态热分析得到；(λ1,λ2)为红外波段；ε(λ)为材料的光谱发射率；C1和C2分别为第一和第二辐射常数；基于红外辐射强度和辐射亮度之间的关系，观测目标的实际红外辐射强度可以通过式计算得到：式中，Ak是第k个辐射源的面积，θk是第k个辐射源与红外探测系统之间的夹角；步骤(9)、考虑材料分散性和大气参数扰动，选取材料发射率和温度为不确定输入参数；采用区间不确分析方法实现辐射强度分散性分析，得到辐射强度输出响应区间，记为II，辐射强度输出响应区间的中心值为Ic；步骤(10)、综合以上分析，以厚度尺寸X为优化设计变量，以大于等于预定可靠度G₀为约束条件，以热防护系统质量m和表面热辐射强度中心值I^c为优化目标函数变量，实现可重复使用飞行器热防护系统多目标可靠性优化设计。