[发明专利]一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，其步骤如下：(1)选取导热系数、密度及比热容作为不确定参数，实现各不确定参数的区间表达；(2)提取各层厚度和不确定参数为特征参数，实现全参数化建模、分析及求解；(3)考虑不确定参数相关性，提出相关性因子随机抽样方法，选取试验样本；(4)根据样本构建近似模型，分析不确定参数对响应的影响并优选，建立多层结构温度场不确定性分析方法；(5)分别以各层厚度、各层温度小于许用值、质量最小化为设计变量、约束条件和目标函数构建优化模型，实现多层热防护系统非概率优化设计。本发明通过高效不确定性分析和优化，提升了热防护系统结构效率。

主权项

1.一种基于试验设计的多层热防护系统非概率不确定性分析和优化设计方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤(1)、根据热防护系统真实服役环境决定的性能与构型需求，多层热防护系统由n层不同功能的不同材料结构组成；考虑到材料导热系数、密度和比热容等热物性参数均会随温度变化，各热物性参数随温度变化的材料属性曲线需通过一系列特定温度对应的热物性参数值插值拟合得到，记各层导热系数、密度和比热容分别为k_ij，ρ_ij和c_ij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，其中，i和j为变量编号，n为多层热防护结构总层数，m为选取特定温度的数量，导热系数、密度、比热容对应的特定温度分别记为和步骤(2)、考虑各层材料热物性参数由于材料分散性、测量误差等导致的各种不确定性，选取步骤(1)中kij、ρij和cij作为不确定参数；根据工程试验获得各不确定参数分布规律，得到各不确定参数的分布范围，并用区间形式量化为kij∈[kij_min,kij_max]，ρij∈[ρij_min,ρij_max]和cij∈[cij_min,cij_max]，其中kij_min，ρij_min和cij_min分别为各参数分布范围最小值，kij_max，ρij_max和cij_max分别为各参数分布范围最大值；步骤(3)、选取步骤(1)中的各层厚度作为设计变量，记为X，X＝(x1,x2,…,xn)，n为步骤(1)中所涉及的多层热防护结构层数；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，一般依靠工程经验以及工程造价条件给定；步骤(4)、在几何建模过程中，提取各设计变量作为控制三维几何模型的设计特征参数，当各设计变量在各自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(5)、在几何模型的基础上，通过有限元软件的二次开发功能，提取各不确定参数作为控制有限元模型材料热物性属性的不确定性特征参数，当各不确定参数在各自分布范围内任意改变时，能够实现有限元模型材料热物性属性的自动赋值，从而建立基于设计特征参数和不确定性特征参数的多层热防护结构参数化有限元模型；步骤(6)、基于再入过程弹道数据，采用辐射、对流及传导多种传热方式复合的传热分析方法，考虑气动热与结构传热之间的相互影响，实现全弹道过程的多层热防护系统瞬态温度场分析求解，得到多层热防护结构各层界面随时间变化的温度历程T^s(t)，提取各层界面处的最高温度作为响应输出，记为s＝0,1,…,n，其中s从0增至n指多层热防护结构从外表面至内表面所有层的界面；步骤(7)、考虑确定性条件下各热物性参数所呈现的随温度变化的规律作为抽样约束，通过数据分析处理软件编制抽样算法，相较于传统完全随机抽样方法，实现考虑约束条件的随机抽样过程，是为相关性因子随机抽样方法；基于此方法，从步骤(2)各不确定参数kij，ρij和cij的分布区间中，选取出一组考虑因子相关性的随机组合的样本点，记为P，P＝(p1,p2,…,pu,…pr)，pu＝(k11,k12,…,kij,…,knm,ρ11,ρ12,…,ρij,…,ρnm,c11,c12,…,cij,…,cnm)u，其中r为样本点总数，pu代指某一个样本点，kij，ρij和cij组成样本点中的因子，(·)u为某样本点因子的具体水平；步骤(8)、提取步骤(7)中P的样本点p_u，u＝1,…,r作为步骤(5)中的不确定性特征参数，重复执行步骤(4)至(6)r次，得到热防护系统各层界面的一组离散的最高温度响应，记为根据响应面方法，拟合样本集合P与响应集合继而构建了描述P中各因子k_ij，ρ_ij和c_ij与关系的近似函数模型步骤(9)、通过步骤(8)中近似模型分析出各因子k_ij、ρ_ij和c_ij与多层热防护结构各层界面最高温度响应输出之间的关系和趋势；考虑计算成本与精度，将步骤(2)中的分布区间[k_{ij_min},k_{ij_max}]，[ρ_{ij_min},ρ_{ij_max}]和[c_{ij_min},c_{ij_max}]均归一化到相同范围，比较分析k_ij，ρ_ij和c_ij对各响应的贡献程度，辨识优先出关键参数；结合分析得的k_ij，ρ_ij和c_ij与之间的关系，得到灵敏度分析后的不确定性响应分布区间，即其中和分别为不确定性分布范围的下界和上界；步骤(10)、综合以上分析，以步骤(3)中各层厚度X为设计变量，以步骤(10)中多层热防护结构各层界面最高温度不确定性分布上界小于各层界面许用极限温度为约束，即以最小化结构质量名义值mass为优化目标函数，建立多层热防护系统非概率优化设计数学模型，最终实现考虑不确定性的多层热防护系统非概率优化设计。