火箭院研发中心编写全复合材料飞行器结构快速优化设计流程 结构优化告别人工迭代 为飞行器轻质化寻找最优解

发布时间 : 2016-11-10     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  2016年10月中旬,中国运载火箭技术研究院(简称“火箭院”)研发中心13室编写完成了《全复合材料飞行器结构快速优化设计流程与规范》(以下简称“《规范》”)。有了《规范》,结构优化可从人工迭代向计算机迭代转变,同时也可为火箭等飞行器结构轻质化寻找最优解。
  《规范》主笔人田甜介绍,“为减少每一克重量而努力”是结构设计师的座右铭,实现结构轻量化一直是飞行器结构设计领域不懈追求的目标。
  结构优化设计是指,在约束条件下,按某种目标(一般是结构重量)求出最优方案的设计方法。其数学本质是通过对满足约束条件下的所有参数组合逐一进行计算,找到使目标函数最小的参数组合的过程,这组参数就是火箭的最优结构方案。通常,结构参数会对约束条件产生影响,因此,进行一轮优化分析以后还要返回更新约束条件,然后重新再进行一次优化分析,周而复始,直到目标函数收敛。这个过程叫做迭代。
  对于一种飞行器,约束条件非常复杂,其结构设计参数的数量也非常庞大,组合出的结构方案的可能性非常多,因此要想得到结构理论最优方案需要进行大量的优化迭代计算工作,这些计算单纯依靠人工几乎无法实现。现代计算机的飞速发展为优化迭代技术的突破扫清了障碍,实现快速、通用、准确、有效的结构设计需要借助强有力的数字化手段。
  为此,研发中心13室的结构设计团队利用计算机辅助设计工具CAD、CAE及优化工具,对全飞行器复合材料结构优化设计方法做了深入研究,探索了一条适用于全复合材料飞行器尺寸及铺层优化的快速建模方法和优化设计流程,包括曲面建模、有限元建模、加载和优化迭代4个部分,为结构快速优化设计方法的推广应用奠定了基础。
  田甜告诉记者,该方法适用于能够用壳单元和梁单元建立有限元离散模型的飞行器整体结构,不但能够对结构尺寸进行优化,还能够对复合材料的铺层顺序进行优化,能够使不同铺层区域之间的纤维最大限度地连续化,以减少碳纤维预浸料的剪裁和浪费,同时提高复合材料结构整体力学性能。
  “该设计流程实现了结构优化从人工迭代向计算机迭代的转变。原先的结构优化,人工迭代能完成2至3轮优化分析就已经了不得了,而计算机迭代则非常快速高效,相同时间周期内能够进行几千次甚至几万次结构优化分析。运用该流程设计可以找到火箭重量理论近似最优解。” 田甜说,“利用先进的优化工具和优化方法,能够大幅提高结构优化效率,例如,对于5万节点规模的全飞行器模型,在一个工况下,计算机能够在10分钟内完成2至5轮迭代运算,每一轮迭代中又包含数千次计算,直至目标重量曲线收敛,比人工计算更快捷、更有效。”
  《全复合材料飞行器结构快速优化设计流程》将优化方法和实践经验进行总结和固化,为该方法的推广应用奠定坚实的基础。
  后续,项目团队将继续深入研究多种复杂载荷工况下全飞行器结构的优化方法,不断完善优化设计流程与规范。

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