[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于实现步骤如下：(1)选取机翼结构中的梁、肋厚度尺寸为优化设计变量，记为xi,i＝1,…,n，其中x为梁、肋结构厚度，i为变量编号，n为梁和肋的数目之和；梁、肋厚度尺寸被限定在给定范围内，即xi∈[ximin,ximax],i＝1,2,…,n，其中ximin为给定xi范围的最小值，ximax为给定xi范围的最大值；然后设置初始设计变量值；(2)在得到设计变量值的基础上，将梁、肋厚度尺寸，弹性模量，密度表述为区间变量，并通过区间顶点分析方法获取不确定区间参数的样本空间，样本点为各输入参数上、下限的组合；(3)基于步骤(2)所得的样本空间，在几何建模时提取梁、肋厚度尺寸作为控制三维模型的特征参数，当各优化设计变量在给定范围内任意改变时，能够实现几何自动建模，从而针对样本空间中的任一样本点完成基于所选设计变量的几何参数化建模；(4)采用以几何模型驱动为主的有限元模型参数化建模方法，将步骤(3)得到的几何模型转化为有限元模型，完成相应的机翼有限元模型自动建立；(5)采用工程气动力计算方法，以机翼有限元模型中的表面有限元网格信息为输入，获取表面气动力分布；(6)将步骤(5)所得气动力分布作为输入载荷施加在步骤(4)得到的机翼有限元模型的表面，并通过有限元分析得到机翼的最大位移和最大应力(7)更新变形后的表面有限元网格信息，利用工程气动力计算方法重新计算气动力分布，并重新得到机翼的最大位移和最大应力(8)判断两次计算得到的最大位移和应力值之差是否小于特定残差值，即：其中，和分别为未更新表面网格信息时机翼变形和应力的最大值；和分别为更新1次表面网格信息后机翼变形和应力的最大值，ε_d为给定的针对机翼变形的残差值，ε_σ为给定的针对机翼应力的残差值；若满足上述公式(1)，则此时认为已经完成气动结构耦合分析，输出位移和应力结果；若不满足上述公式(1)，转到步骤(6)；直到更新k次表面有限元网格后，满足相邻两次计算得到的最大位移和应力值之差小于特定残差值，即：其中，和分别为更新(k‑1)次表面网格信息后机翼变形和应力的最大值；和分别为更新k次表面网格信息后机翼变形和应力的最大值；此时认为已经完成气动结构耦合分析，输出位移和应力结果；(9)重复步骤(3)～(8)，完成样本空间中所有样本点的气动结构耦合分析，建立最大位移、最大应力输出样本空间，筛选得到每个设计点下机翼最大位移区间范围dI和最大应力的区间范围σI，实现机翼结构响应的不确定分析；(10)给定最大位移许用范围和最大应力许用范围引入非概率可靠性指标，计算实际最大位移小于最大许用位移的可靠度和实际最大应力小于最大许用应力的可靠度实现约束条件的非概率可靠性分析；(11)以机翼结构重量m为优化目标，其中m取决于梁、肋厚度尺寸，和为约束条件，通过优化方法实现高超声速机翼气动结构耦合非概率可靠性优化设计。