[发明专利]一种高超声速三维机翼的非概率可靠性气动结构耦合优化设计方法

说明书

本发明公开了一种高超声速三维机翼的非概率可靠性气动结构耦合优化设计方法，其将梁、肋厚度尺寸，弹性模量，密度表述为区间变量，利用区间顶点法获取输入参数的样本空间；根据样本空间中的样本点，完成高超声速三维机翼的有限元参数化建模；利用迭代思想，完成样本空间所有样本点的气动结构耦合分析；筛选得到最大位移和最大应力的区间上、下限，完成不确定参数在耦合系统中的传播分析；引入体积法思想，定义气动结构耦合系统非概率可靠性指标；以机翼结构重量为优化目标，结构最大位移和最大应力小于许用值的可靠度为约束条件，实现机翼结构非概率可靠性优化设计。本发明在保证高超声速机翼高可靠性的前提下降低机翼结构质量，提高机翼性能。

技术领域

本发明涉及高超声速机翼结构优化设计领域，特别涉及一种高超声速三维机翼的非概率可靠性气动结构耦合优化设计方法。

背景技术

高超声速机翼作为一种弹性结构，空气动力和弹性力的相互影响产生的耦合效应对机翼的载荷和性能均有重大的影响。针对气动结构耦合问题的主流数值解法包括两种：强耦合气动弹性计算和弱耦合气动弹性计算。其中，强耦合气动弹性计算将计算结构力学和计算流体力学的控制方程分别写到独立模块中，但两类方程在一个可执行程序中进行求解，实现气动结构耦合的精确数值分析。但是该方法自由度大，对气动结构理论要求较高，且在计算效率、应用条件等方面存在较大的局限。弱耦合气动弹性计算则是将计算结构力学和计算流体力学作为单学科可执行程序相互独立，通过编制结构软件技术实现跨学科的交互分析。该方法实现简便、计算高效，在工程实际中具有较大的优势，但仍存在以下问题：①三维机翼的CFD计算量大，计算效率低，尤其是进行气动结构耦合的嵌套优化时会导致优化效率的大大降低；②最终耦合分析结果对接口程序中气动模型和结构模型之间的数据交换算法精度敏感性较大，较差的数据交换精度可能导致结果严重失真。

气动力工程估算方法速度快，存储需求小，又具有一定的精度，因而在高超声速机翼的初步设计过程中具有重要作用。此外，气动力工程估算方法对网格密度的要求较常规的CFD计算更宽松，本发明将CSD计算网格与气动力工程算法网格统一化，因此在数据交换时无需进行插值运算，避免了数据传递过程中造成的精度损失，提高了计算精度，如图2所示。

另一方面，在常规设计优化过程中，结构所处的载荷环境、结构参数及设计要求等均被处理为确定性形式，这在一定程度上简化了结构的设计过程，降低了计算工作量。然而由于未能合理考虑不确定性的影响，确定性设计得到的结果通常与实际情况不符，方案本身对设计参数非常敏感。随着不确定性结构分析方法的发展，可靠性优化的设计理念逐渐代替传统确定性优化设计，成为未来工程设计的必然趋势。

长期以来，概率可靠性模型和模糊可靠性模型是工程中处理不确定性的最普遍模型。这两种模型从概率的角度来度量系统的可靠程度，两者分别基于概率论和模糊理论来描述不确定性。然而，工程应用中这两种可靠性模型存在一些缺陷：两种模型都需要通过实验获得大量的实验数据以确定模型的概率分布和隶属函数；两种模型的计算量都很大；对概率可靠性模型而言，对参数很敏感，分布函数选取的小误差可能导致可靠性分析出现大偏差；对模糊可靠性模型，主观性较强且理论不完善，导致计算结果不可靠，一定程度上限制了其在实际工程中的应用。由于工程结构系统中广泛存在随机、模糊、未知然而有界等多种不确定性信息，同时结构样本实验数据常常比较缺，因此以上两种模型往往不能很好地从概率的角度描述不确定性并度量系统的可靠程度。

在工程实际中，相对精确统计数据，不确定性信息的不确定界限更容易确定，此时采用非概率可靠性模型将更加适用。非概率可靠性方法仅仅通过获取不确定参数界限而不需要深究不确定性内涵，便可完成结构安全性能的评判，对于未来不确定性结构分析与设计理念的更新，具有重要的促进作用。基于体积法的非概率可靠性模型如图1所示，其利用结构安全域的体积V_safe和基本区间变量域的总体积V_sum之比作为结构非概率可靠性的度量，该指标物理意义明确，而且具有与概率可靠性模型完全相容的优点。

发明内容