[发明专利]一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法

说明书

本发明提供一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，属于航空航天结构加筋薄壁构件优化设计领域。首先，获取典型加筋单胞的等效材料属性，并建立备选材料库。其次，针对给定目标，优化获得最优的材料分布。最后，基于最优材料分布进行筋条路径、布局特征提取和函数描述，并开展筋条布局、形状、尺寸协同优化设计。本发明可以通过筋条布局、形状、尺寸协同优化设计提供新颖的加筋薄壁结构设计，同时大幅提高结构的力学性能，并且本发明方法能充分考虑结构的制造约束，所提供的创新设计具有筋条路径清晰、连续等特点。可以用于航空航天加筋薄壁结构的设计当中，为航空航天装备的轻量化设计发挥作用。

技术领域

本发明属于航空航天结构加筋薄壁构件优化设计领域，涉及一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法。

背景技术

加筋薄壁结构具有高比刚度和高比强度等特性，因此被广泛应用于航空航天结构的主承力构件中，例如火箭、导弹的级间段、燃料贮箱、有效载荷适配器、整流罩、飞机机身、机翼，以及大型建筑的穹顶等主承力结构都是加筋薄壁结构。加筋薄壁结构中的加强筋既可以提高板壳结构的抗弯刚度而提高承载能力，又可以增加其当量厚度从而减小对初始缺陷的敏感程度从而提高结构的可靠度，因此直至目前，大部分的运载火箭(如Delta、Tian、Atlas、长征系列火箭)、导弹(如俄罗斯萨尔马特洲际弹道导弹)和飞机(C919)的机身、机翼中仍大量采用加筋薄壁结构形式，其中加筋薄壁结构在火箭箭体结构干重占比超过80％。因此通过优化加筋薄壁结构的筋条布局、形状、尺寸，获得具有最有蒙皮、筋条配比的加筋构型设计，是航空航天装备承载最大化、轻量化设计的重要途经之一。

目前，加筋薄壁结构的主要构型为均匀加筋构型，包括正置正交加筋、等三角加筋、斜置正交加筋、Kagome加筋和米字型加筋等加筋类型。近年来，随着增材制造等先进机械加工工艺的发展，具有负泊松效应、更好传力路径等特性的曲筋增强薄壁结构设计逐渐增多。而面向加筋薄壁结构的优化设计方法主要包括拓扑优化、形状优化、尺寸优化三类。其中拓扑优化能在给定设计空间中，根据给定目标给出筋条的初始概念设计，但拓扑优化方法存在筋条路径不清晰、筋条间断等问题，特别在超低体分比约束和复杂优化目标、约束条件下，很难获得满足设计要求的加筋路径。形状优化在给定函数形式下，能够提供满足性能约束和制造工艺约束的加筋路径，但设计结果严重依赖于给定函数空间，寻优能力不足。尺寸优化一般作为精细设计的最后步骤，其通过调整蒙皮、筋条尺寸，实现筋条蒙皮最有配比。目前加筋薄壁结构的优化设计是在不同的设计阶段分别采用上述优化方法，没有考虑到布局、形状、尺寸设计变量的耦合关系，为了充分发掘设计空间，获得满足制造工艺的特定力学需求下的加筋薄壁结构的最优设计，亟需建立一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，在稳定获得清晰、连续加筋路径、布局的同时，实现筋条布局、形状、尺寸的协同优化设计，以进一步实现航空航天装备承载最大化或轻量化设计。

发明内容

本发明主要解决传统拓扑优化方法难以获得清晰、连续加筋路径的问题，并解决航空航天加筋薄壁结构设计难以考虑布局、形状、尺寸等设计变量耦合关系，并进行多层级变量协同优化的问题，提出了一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法。通过提取加筋薄壁结构的典型单胞，使用均匀化等方法计算加筋单胞的等效刚度系数，将加筋胞元等效为各向异性的复合材料，然后建立包含不同主方向以及不同构型加筋单胞的备选材料库，使用离散材料优化方法等多材料拓扑优化选材方法获取最优的材料布局设计。随后基于获得最优材料布局计算材料主方向的梯度、角度等信息，提取筋条路径，获得筋条布局的函数描述。最后以筋条路径函数的参数和筋条、蒙皮的尺寸参数为变量进行精细化建模，并开展筋条多层级变量的协同优化，以实现加筋薄壁结构的布局、形状、尺寸的协同优化设计。这种方法不但能够在优化过程中考虑布局、形状、尺寸多层级变量的耦合关系，还能稳定获得清晰、连续的加筋路径和布局设计方案，在满足制造工艺约束的同时，充分挖掘设计空间，为航天装备进一步减重。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种薄壁加筋结构的筋条布局、形状与尺寸协同设计方法，包括以下步骤：