[发明专利]一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法

摘要

本发明的一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法，该方法包括：1)对二级箱间段结构的原始设计强度校核，通过拓扑优化的手段重新设计上接头结构形式，使得该区域应力水平降低；2)基于OptiStruct的上接头拓扑优化设计，得到上接头拓扑优化模型；3)在有限元分析软件Abaqus中建立箱间段叉子单元及相邻火箭壳体的联合模型，校核二者互为真实边界后的二级箱间段上接头结构强度，该区域应力水平降低。本发明采用有限元方法，融合工程经验，基于拓扑优化技术进行联合强度分析以及局部结构优化，大幅提高分析精度，取得减重、优化、承力高等更优性能；本发明得到的箱间段结构一次性通过地面静力试验考核，结构承载力明显提高。

主权项

1.一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法，其特征在于以下步骤：第一步，对二级箱间段结构的原始设计强度校核：1.1)所述的二级箱间段由N个重复单元组成,根据二级箱间段的结构载荷形式，采用Abaqus有限元软件建立1/N箱间段的有限元模型，选取原有限元模型的1/2N进行有限元分析；所述的N的个数由实际情况确定；1.2)根据1.1)的结果得到二级箱间段结构的应力分布：轴压载荷作用下，二级箱间段结构满足强度要求；轴拉载荷作用下，二级箱间段结构的叉子单元的上接头的高应力区域，不满足强度要求，通过拓扑优化的手段重新设计上接头结构形式，降低该区域应力水平；第二步，基于OptiStruct上接头拓扑优化设计，得到上接头拓扑优化模型：2.1)依据OptiStruct软件中拓扑优化问题的求解算法SIMP，构造最小柔顺性优化问题：(a)目标：二级箱间段结构的最小柔顺性设计保证结构整体刚度最大；(b)约束：确定体积用量，作为约束上限；(c)设计变量：优化设计域内单元密度；2.2)在HyperMesh中建立原二级箱间段结构的上接头模型，用一块实体的设计域包围原有上接头，建立上接头拓扑优化模型；并考虑螺栓的安装需求，在设计域中预留出螺帽所占用的空间；2.3)简化上接头拓扑优化模型，将螺栓孔约束，并在上接头的轴向加载集中拉力，近似等效轴拉工况，完成上接头拓扑优化的模型建立工作；将第二步2.1)的最小柔顺性优化问题在OptiStruct中定义求解，得到上接头拓扑优化设计结果，即二级箱间段上接头的具体参数；第三步，上接头拓扑优化模型的局部强度校核：根据第二步得到二级箱间段上接头的具体参数及其他部件原始参数，在有限元分析软件Abaqus中建立箱间段叉子单元及相邻火箭壳体的联合模型，校核二者互为真实边界后的二级箱间段上接头结构强度，该区域应力水平降低。