[发明专利]一种变密度高真空多层绝热结构的优化方法及系统

说明书

本发明涉及一种变密度高真空多层绝热结构的优化方法及系统，将变密度多层绝热材料的组合根据间隔物层数不同，划分为若干个密度区域，而各密度区域为某一种固定反射屏和间隔物的基本设计单元的重复数，从而将变密度多层绝热材料的组合参数函数化。基于穷举法，获得目标层数下不同厚度的所有变密度多层绝热材料组合的设计参数，通过性能仿真函数，获得对应变密度多层绝热材料组合的漏热热流密度、绝热层厚度和各反射屏温度等。本发明可以准确获得变密度多层绝热材料设计时限制反射屏层数、绝热层厚度/重量等条件下、通过变密度多层绝热材料漏热热流密度最小的优化设计结果。

技术领域

本发明涉及高真空低温绝热技术领域，特别是涉及一种变密度高真空多层绝热结构的优化方法及系统。

背景技术

在高真空低温绝热领域，不同温区下，辐射、气体与固体复合导热等漏热机制的贡献不同：高温区辐射漏热占主导，考虑提高平行敷设的反射屏密度，以减少此温区的漏热；低温区辐射漏热量已较弱，而以气体与固体复合导热漏热为主，因此可增加间隔物厚度/层数，以减少低温区的漏热。由此，针对低温高真空多层绝热，存在多种不同的“反射屏-间隔物”组合方式，并且其绝热性能、绝热结构厚度、重量等特征有显著区别。在涉及航天发射、大宗低温液体的长距运输，提高载具的荷载比具有重要的工程意义，因此开发轻质化高真空多层绝热结构意义重大。

采用变密度多层绝热材料(Variable－Density Multilayer Insulation，简称“VD-MLI”)，通过反射屏与间隔物的变密度优化组合，实现优良的热屏蔽效果，同时满足绝热层厚度、重量等限制(VD-MLI厚度与重量呈正相关)。基于多种限制因素对VD-MLI的设计优化难度较大，常规VD-MLI结构设计以层密度作为设计参数，只能考虑热流密度最小时的单目标优化，若要考虑绝热结构厚度及重量的限制时，基于层密度的VD-MLI优化就缺乏理论依据，只能依靠设计人员的经验对反射屏与间隔物的组合方式进行不断调整，得到相对原始设计方案较好的结果，并不能保证获得在绝热结构厚度和重量限制条件下获得最优组合。

关于VD-MLI优化的现有技术中，考虑了间隔物的增加对多层绝热层间残余气体导热及固体导热产生影响，由于残余气体导热量随间隔物的增加而增加，固体导热量随间隔物的增加而减小；建立复合变密度多层绝热结构的变密度优化方法，考虑间隔物的加入对固体导热和对残余气体导热的影响，得到变密度多层绝热结构层密度优化模型，计算增加间隔物后的总热流密度。对复合多层绝热层内每个添加间隔物的位置依次进行优化，每次针对一层间隔层进行添加，并不断增加间隔物数量，直至综合热流密度达到最小值，该最小值对应的间隔物数量即为该层的最佳间隔物数量，并采用同样的方法对其余各层进行优化。该方法的局限性在于采用层密度作为综合参数进行优化时，耦合了绝热层厚度与反射屏层数等多个参数，并且进行逐层增加间隔物数量，无法证明经由该方法所得VD-MLI组合是在限制绝热层厚度、反射屏层数等条件下热流密度最小的全局最优结果。

现有技术中还公开了将VD-MLI表示为基本设计单元的重复次数的组合，生成多组VD-MLI设计结构组合后，由MLI传热学模型中获得热流密度、绝热层厚度、反射屏及间隔物层数等参数，再由奇异值分解和正交基系数的最小二乘拟合方法，通过给定层数，目标厚度，理想热流密度作为优化目标进行反演寻优，可获得对应的设计参数，但由于该方法是将高维非线性寻优转化为对降维线性逼近进行寻优，对多参数复杂结构组合的设计优化具有便捷高效的特点，但由于采用了线性逼近，可能造成优化结果在原维度上局部非线性特征明显的区域(即数据分布异常复杂的局部区域)无法达到最优解。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种变密度高真空多层绝热结构的优化方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种变密度高真空多层绝热结构的优化方法，包括：

将多层绝热材料的设计参数进行函数化表示，得到变密度多层绝热材料的待优化设计函数；