[发明专利]一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统

权利要求书

1.一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，包括：

根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能；

根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；包括：根据单层板的力学与热膨胀性能，结合各已知铺层方式推算管件性能，得到在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能；根据在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；

根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计；

其中：

通过如下式(1)和式(2)计算得到轴向热膨胀系数α₁和径向热膨胀系数α₂：

其中：

n₁＝E_mE_f2V_m[υ₂₃+(υ₂₃+υ₁₂)V_f+υ_mυ₂₃V_m-(1+4υ₂₃)υ_mυ₁₂V_f]

其中：E_f1表示纤维轴向弹性模量；E_f2表示纤维横向弹性模量；V_f表示纤维体积含量；υ₁₂表示纤维面内泊松比；υ₂₃表示纤维横向泊松比；α_f1表示纤维纵向热膨胀系数；α_f2表示纤维横向热膨胀系数：E_m表示基体的弹性模量；V_m表示基体体积含量；υ_m表示基体的泊松比；α_m表示基体的热膨胀系数；

通过如下式(3)计算得到热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系：

其中：

[A]表示层合板拉伸刚度矩阵，表示中性面的各应变值，为第k层刚度矩阵；{α}_k表示第k单层热膨胀系数，φ表示第k层的铺设角；α₁、α₂和α₁₂分别表示单向层板纵向、横向及剪切热膨胀系数，ΔT表示温差；z_k表示第k层的坐标值。

2.根据权利要求1所述的航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，所述根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，包括：

根据所述函数关系，结合定膨胀系数优化设计模型，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式。

3.根据权利要求2所述的航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，通过如下步骤建立定膨胀系数优化设计模型：

定义目标函数：

f(x₁,x₁...x_N)＝abs(alpha_x_target*L*ΔT-disp_x)

定义约束条件：

A₁₁＞E_x

定义周向热膨胀系数约束：

定义设计变量：

x_i,i＝1,2...N

其中：

alpha_x_target和alpha_y_target分别表示复合材料管件在轴向与横向目标热膨胀性能；disp_x和disp_y分别表示管件任一点轴向与横向因热而产生的位移分量；A₁₁和E_x分别为管件在轴向的实际刚度与期望刚度；L表示复合材料管件的长度；D表示复合材料管件的直径；ΔT表示温差；x_i表示各铺层的角度。