[发明专利]一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法

权利要求书

1.一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法，其特征在于：具体步骤如下，

(1)根据结构工况设计初始微桁架拓扑结构及结构优化前基本形状的周期性单胞；

所述的微桁架拓扑结构用于机翼前缘，选用圆柱体作为微桁架杆件的基本结构形状，由若干个矩阵形式排列的周期性单胞一体化成型构成，所述的周期性单胞包括上壁面、下壁面、流道壁面和夹心结构，所述的下壁面的两端向夹心结构方向延伸两个流道壁面，两个流道壁面相交，与下壁面形成一个截面为等腰三角形的三棱柱通道，作为冷却液的流道，在所述流道和上壁面之间具有夹心结构，所述的夹心结构呈多层金字塔构型，每个金字塔构型由四个微桁架杆件组成；

(2)通过有限元模型计算设计温度下流道的壁面与流体之间的传热系数；

通过fluent建立流道及流道内流体模型，赋予流道内流体即燃油的热学、流动属性，设置流道出入口及壁面边界条件，入口为恒定流速边界条件，出口为自由发展边界条件，流道壁面为无滑移边界条件，入口燃油温度为293K，流道壁面温度设置不同的温度；通过流体热力耦合方法计算流道壁面与燃油在固定流速下的传热系数；

(3)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构传热分析几何模型，并根据微桁架和壁面的形状特征给所述的传热分析几何模型划分网格；

(4)根据工况特征赋予传热分析几何模型相应温度边界条件，设置微桁架材料传热属性；所述的材料传热属性包括微桁架材料的传热系数和比热容；

(5)在有限元软件中建立微桁架夹芯结构应力分析几何模型，设置微桁架材料相应的材料属性；所述的材料属性包括微桁架材料钛合金的塑性和热膨胀率；

选用abaqus进行建模，将传热分析几何模型的温度场引入应力分析几何模型，应力分析几何模型需选用和传热分析几何模型相同的几何模型和网格划分；微桁架选用梁单元和钛合金进行模拟；将温度对钛合金屈服强度的影响引进应力分析几何模型，添加热膨胀率；

(6)根据工况特征赋予应力分析几何模型相应边界约束条件，将传热分析最终温度场作为应力分析初始温度分布输入；

通过在应力分析几何模型中的初始温度场中读取传热分析几何模型的温度场结果，将温度场对应力的影响引进应力分析几何模型；边界约束条件设为应力分析几何模型关于周向和轴向对称，其中流道壁面与下壁面相交线的部分，以及该相交线对应的上壁面的两条边，设置为周向对称；其余的边设置为轴向对称，两个金字塔型的对应位置微桁架杆件的相交节点，设置为周向和轴向对称；整个应力分析分成两个分析步，第一个分析步计算由于温度场不均匀导致的热应力以及热变形，第二个分析步在上壁面设置均匀压力，计算传热分析几何模型中是否出现塑性变形以及屈曲；设置完成后输出inp文件，以备后续优化计算使用

(7)建立优化模型，通过修改输入文件参数实现参数化建模，分别进行传热分析和应力分析，计算边界约束和目标值，通过优化软件进行优化；

选用isight优化软件进行集成优化，首先通过data exchanger组件将inp文件中的自变量参数进行修改，然后通过os command组件进行传热分析，输出温度场后，通过oscommand组件进行应力分析，并输出需要进行约束和优化的变形信息变量，通过dataexchanger组件读入所述的约束变量和优化目标变量，最后通过优化算法组件进行优化分析，并完成一个迭代，通过不断迭代，直到目标值达到最优；在此优化模型中，将壁面和微桁架的尺寸设为自变量，并且给定加工工艺性边界，保证壁面和微桁架能够被加工出来，通过约束下壁面温度实现隔热效果，通过约束不出现塑性变形及屈曲保证结构承载，通过约束壁面最大位移保证结构刚度，减少对气动特性的影响，最终达到质量最轻，完成优化。