[发明专利]一种考虑不确定性的热防护系统模型修正方法

摘要

本发明公开了一种考虑不确定性的热防护系统模型修正方法，其步骤如下：(1)根据热防护系统不确定性来源，选定模型输入变量，确定其不确定性分布规律；(2)借助于有限元分析软件，编制全参数化的输入变量‑输出响应代码；(3)通过计算机试验设计方法，构建高精度近似模型，完成输入变量的重要性排序及优选；(4)基于不确定性结构边界条件修正方法，结合实际试验环境，建立分别以修正变量和修正目标为设计变量和目标函数的优化模型，实现热防护系统的模型修正。本发明通过考虑不确定性的模型修正，有效提升了热防护系统设计效率。

主权项

1.一种考虑不确定性的热防护系统模型修正方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤(1)、鉴于热防护系统不确定性来源，选定结构内各组成材料随温度变化的热导率k_ij、密度ρ_ij和比热c_ij作为热防护系统数值模型的不确定性输入变量，其中，i和j为变量编号，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，n为热防护结构总层数，m为拟合各热物性参数随温度变化的曲线所需选取特定温度的数量，热导率、密度、比热对应的特定温度分别记为和步骤(2)、根据非概率区间的小样本定量化方法，采用最小区间集合包络工程试验数据，量化得到不确定性输入变量的区间表达分别为kij∈[kij_min,kij_max]，ρij∈[ρij_min,ρij_max]和cij∈[cij_min,cij_max]，其中kij_min，ρij_min和cij_min分别为各变量分布范围最小值，kij_max，ρij_max和cij_max分别为各变量分布范围最大值；步骤(3)、结合热防护系统隔热性能测试试验环境中存在的辐射、对流与结构内热传导并存的复合换热方式及所控制的结构外表面温度‑时间加载历程，选取厚度方向作为热量由外向内的传递方向，建立简化的一维瞬态传热分析数学模型；步骤(4)、借助通用有限元分析软件，将数学模型转化为全参数化控制的离散化数值模型并分析求解，实现通过输入变量直接得到输出响应的全参数化代码，记为M‑R代码，得到热防护结构内表面随时间变化的温度历程，提取其最高温度T_max及其发生时间作为响应输出；步骤(5)、基于计算机试验设计的原理，以各不确定性输入变量kij，ρij和cij为因子，从步骤(2)各因子分布区间中，通过拉丁超立方抽样选取出样本点集合，记为P，P＝(p1,p2,…,pu,…pr)，pu＝(k11,k12,…,kij,…,knm,ρ11,ρ12,…,ρij,…,ρnm,c11,c12,…,cij,…,cnm)u，其中r为样本点总数，pu代指某一个样本点，kij，ρij和cij组成样本点中的因子，(·)u为某样本点因子的具体水平；步骤(6)、依次提取集合P中的各样本点p_u，u＝1,…,r作为步骤(4)中M‑R代码的输入变量，调用执行r次，得到热防护系统内表面一组最高温度响应和一组最高温度发生时间响应，分别记为T_max‑set和其中T_max‑set＝(T_max‑1,T_max‑2,…,T_max‑r)，和分别表示热防护系统内表面一组最高温度响应和一组最高温度发生时间响应，所以T_max‑r表示对应于第r个样本点的热防护系统内表面最高温度，表示对应于第r个样本点的热防护系统内表面最高温度发生时间；根据响应面方法，分别拟合样本集合P与响应集合T_max‑set和继而分别构建了描述因子热导率k_ij，密度ρ_ij和比热c_ij与响应T_max和的关系的高精度近似模型T_max＝funtion_T(k_ij,ρ_ij,c_ij)和步骤(7)、基于近似模型T_max＝funtion_T(k_ij,ρ_ij,c_ij)和将各因子k_ij、ρ_ij和c_ij归一化到相同范围，分别分析出各因子对响应T_max、的贡献程度和影响趋势，综合优选出关键贡献因子k_i′_j，ρ_i′_j和c_i′_j，即为筛选后的关键不确定性输入变量，至此，步骤(5)‑(7)完成了热防护系统不确定性输入变量的灵敏度分析过程；步骤(8)、根据步骤(5)‑(7)的灵敏度分析过程选定的关键不确定性输入变量k_i′_j，ρ_i′_j和c_i′_j，在其各自不确定性分布区间内按照均匀分布进行蒙特卡洛抽样，此时选取出的样本点集合，记为P′,P′＝(p₁′,p₂′,…,p_u′,…,p′_N)，其中，N为蒙特卡洛抽样总次数，p_u′＝(k₁′₁,k₁′₂,…,k_i′_j,…,k_n′_m,ρ₁′₁,ρ₁′₂,…,ρ_i′_j,…,ρ_n′_m,c₁′₁,c₁′₂,…,c_i′_j,…,c_n′_m)；提取样本点p_u′作为输入变量，每次均调用M‑R代码，分别得到N个T_m′_ax和的输出响应，计算各响应的均值，分别记为最大温度均值和最大温度发生时间均值步骤(9)、考虑热防护系统内表面换热环境的不确定性，不确定性结构边界条件修正方法选定内表面边界条件中的当量换热系数h_inner为修正变量，以直接影响热防护安全性与高可靠性设计的内表面最大温度均值及最大温度发生时间均值为修正目标，修正目标为修正变量的函数，每次改变修正变量，修正目标响应通过重复执行步骤(8)获得；选取以优化技术为代表的求解方法，以修正变量为设计变量，以合理分配权重的修正目标为目标函数，建立优化数学模型求解，实现热防护系统的模型修正。