一种基于拓扑优化的组合发动机薄壁结构加筋布局方法与流程

1.本发明属于发动机加筋布局技术领域，具体涉及一种基于拓扑优化的组合发动机薄壁结构加筋布局方法。


背景技术：

2.板壳结构广泛应用于航空、航天等领域，该类薄壁结构刚度、强度、屈曲、振动等力学性能较差,在实际应用中一般都采用加筋结构形式以减轻重量，加筋的形状、尺寸与布局直接影响着结构的重量与性能。组合发动机及其试验件的隔离段、方转圆段及火箭段是具有不同形状的结构件，隔离段一般呈类似矩形结构，方转圆段为方形向圆形的过渡结构，火箭段呈圆筒状，工作过程中分别承受不同大小的高温高压载荷，这些特点也使结构各段具有不同的应力分布及变形特点，因此增强其刚强度的结构设计也不尽相同。在工作或试验过程中若出现结构强度不足或某处变形过大，很有可能造成燃气泄漏，导致试验失真或无法进行。为了在不增加制造成本的情况下满足结构的刚强度要求，通常在薄壁件外表面进行加筋设计。对薄壁件进行加筋布局设计，可显著减小结构重量，利于装配与运输，对组合发动机及其试验件结构热力学性能提高、降低材料用量成本、提供创新结构形式具有指导意义。
3.对于薄壁件加筋布局设计中，多数是基于单个载荷，如压力载荷，或只有热载荷，特别是对于含有热载荷的加筋布局拓扑优化设计主要集中在单向温差下的简单的平板结构，鲜有力热载荷共同作用下的复杂薄壁结构，如组合发动机上的三维的矩形结构、圆转方类结构的加筋布局设计。对组合发动机薄壁结构以往的加强筋布局方法常常是设计人员依靠自身的设计经验，结合结构分析结果对薄弱位置加筋或增加壁厚。由于发动机燃烧室各段结构复杂，力热载荷耦合，这种筋条布局方法在控制结构应力与变形时需要多次结构分析、再设计的过程迭代，结构设计效率较低。这种设计方法并没有一开始就兼顾筋条布局对结构质量和力学性能的影响，没有充分发挥出拓扑优化技术指导设计的作用，不利于制造经济性。采用拓扑优化技术能在给定的载荷、约束条件及设计要求内，通过最大限度的材料的去除，获得最佳的加筋布局方案，可为结构设计提供新思路。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于拓扑优化的组合发动机薄壁结构加筋布局方法，以解决现有组合发动机薄壁件及其试验件受热载荷或力热耦合载荷作用下的加筋布局设计过程复杂、效率低，难以兼顾制造成本的问题。
5.本发明采用以下技术方案：一种基于拓扑优化的组合发动机薄壁结构加筋布局方法，包括如下步骤：
6.s1、建立加筋区域模型：
7.根据发动机流道型面建立初始结构的三维几何模型，所述三维几何模型中，将基体结构与加筋区域之间进行切分并共享拓扑，所述加筋区域全部用实体材料填充；
8.s2、建立分析模型：
9.对所述三维几何模型进行网格划分，加筋区域与基体区域共节点连接，并定义所述三维几何模型所用材料的弹性模量、泊松比和密度；再定义所述三维几何模型模型的自由度约束、温度载荷及压力载荷；
10.s3、将基体结构分区得到设计域和非设计域，并对非设计点进行识别；
11.s4、建立优化模型，根据所述优化模型，并利用有限元计算得到加筋布局结果。
12.进一步的，步骤s3具体内容为：
13.将所述基体结构的有限单元定义为非设计域，所述加筋区域的有限单元定义为设计域；对所述设计域的结构模型沿着不同的表面法向分区；
14.再分别对各所述设计域施加延表面法线方向约束、筋条的最小宽度约束、和材料用量约束，分别对应为优化生成筋条的高度方向、宽度尺寸、和筋条区域的体积占比；
15.对有限元模型执行静力学分析，识别出结果中应力集中和应力奇异单元，对模型其余区域中需要优化的单元建立集合。
16.进一步的，步骤s4建立优化模型的具体内容为：
17.采用simp插值模型建立设计变量ρ
i
与对应单元弹性模量之间的关系，并根据边界条件和载荷条件建立优化模型，对加筋区域进行拓扑优化，根据拓扑优化云图结果获得的加筋分布形式，对含筋条的拓扑优化结果在相同载荷与边界条件下执行静力学分析得出其强度刚度结果；
18.则最小最大化应力为目标的优化列式为：
[0019][0020]
其中，σ
j
为非设计域内有限单元j的等效应力，ρ为设计变量向量，f为节点等效载荷矢量；u为结构节点位移矢量；k为刚度矩阵；v(ρ)为优化后体积，v
i
为单元i的体积；v0为给定材料用量的总体积；u
s
为设计域ω内s域内的节点位移，c为位移限制常数；ρ
i
为有限单元i的设计变量，其取值下界ρ
min
和上界1分别表示孔洞和实体单元，一般取ρ
min
＝0.001。
[0021]
进一步的，步骤s2中，当所述加筋区域选用材料与基体结构不同时，分别定义所述加筋区域与所述基体选用材料的弹性模量、泊松比和密度。
[0022]
进一步的，步骤s2中，温度载荷为均匀温升或包含温度梯度。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
1、本发明考虑了组合发动机及其试验件在高压与高温载荷共同作用下的加筋拓扑优化问题，相比于单个载荷工况下的筋条布局更加合理，有利于提高薄壁结构的强度、刚度。
[0025]
2、本发明通过对复杂结构分区优化，在单次优化过程中保证了复杂结构的筋条沿不同高度方向共同生长，避免了多次优化以及生成筋条不够合理的问题，简化了加筋布局设计过程，方法可适用于多种不同类型结构的加筋拓扑优化。
[0026]
3、包含热载荷时，传统以应变能最小化的结构优化会使应变能减小的同时结构变软很难获得连续加筋结构，本发明以应力为目标，限制位移，优化过程始终考虑了强度和变形，加筋形式连续有利于结构设计。
[0027]
4、通过本发明对发动机薄壁结构加筋省去了设计阶段对多种方案静力学分析后筛选过程，提高了设计效率，并且经过优化后的薄壁结构加筋形式更佳，可以获得兼顾制造成本的筋条布局。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例1的优化模型示意图；
[0029]
图2为本发明实施例1的优化结果示意图；
[0030]
图3为本发明实施例2的优化模型示意图；
[0031]
图4为本发明实施例2的优化结果示意图；
[0032]
图5为本发明实施例3的优化模型示意图；
[0033]
图6为本发明实施例3的优化结果示意图；
[0034]
图7为本发明实施例2的优化过程迭代曲线图；
[0035]
图8为本发明实施例3的优化过程迭代曲线图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0037]
本发明提供了一种力热耦合载荷作用下组合发动机薄壁件及试验件的加筋拓扑优化方法，包括如下步骤：
[0038]
s1、建立加筋区域模型：根据发动机流道型面建立初始结构的三维几何模型，所述三维几何模型中，将基体结构与加筋区域之间进行切分并共享拓扑，便于后续定义设计域与非设计域，所述加筋区域全部用实体材料填充；初始结构指的是优化前建立的包含设计域与非设计域的三维几何模型；
[0039]
s2、建立分析模型：对所述三维几何模型进行网格划分，加筋区域与基体区域共节点连接，并定义所述三维几何模型所用材料的弹性模量、泊松比和密度；再定义所述三维几何模型模型的自由度约束、温度载荷及压力载荷；
[0040]
s3、将基体结构分区得到设计域和非设计域，并对非设计点进行识别；
[0041]
s4、建立优化模型，根据所述优化模型，并利用有限元计算得到加筋布局结果。
[0042]
在一些实施例中，所述步骤s3具体内容为：将所述基体结构的有限单元定义为非设计域，所述加筋区域的有限单元定义为设计域；对所述设计域分区，并对各分区分别命名，并将其定义为不同设计域；分区原则是对设计域的结构模型沿着不同的表面法向分区，以控制各区域在优化时筋条的生长方向。
[0043]
再分别对各所述设计域施加延表面法线方向约束、筋条的最小宽度约束、和材料用量约束，分别对应为优化生成筋条的高度方向、宽度尺寸、和筋条区域的体积占比；
[0044]
对有限元模型执行静力学分析，识别出结果中应力集中和应力奇异单元，对模型其余区域中需要优化的单元建立集合，以便在拓扑优化的优化目标单元中选择这些单元，通过静力分析判断结果中存在应力集中、应力奇异的区域，如果存在，则在优化时排除这些
区域，以便于优化过程稳定执行，而不是在局部应力过大位置过渡优化。如果没有应力集中和应力奇异单元，则该步骤跳过，只有这两个区域。此处的有限元模型是在三维几何模型基础上进行网格划分、载荷施加后的计算模型。
[0045]
在一些实施例中，步骤s4建立优化模型的具体内容为：采用simp(solid isotropic material with penalization)插值模型建立设计变量ρ
i
与对应单元弹性模量之间的关系，并根据边界条件和载荷条件建立优化模型，对加筋区域进行拓扑优化，根据拓扑优化云图结果获得的加筋分布形式，对含筋条拓扑优化结果在相同载荷于边界条件下执行静力学分析得出其强度刚度结果；
[0046]
则最小最大化应力为目标的优化列式为：
[0047][0048]
其中，σ
j
为非设计域内有限单元j的等效应力，ρ为设计变量向量，f为节点等效载荷矢量；u为结构节点位移矢量；k为刚度矩阵；v(ρ)为优化后体积，v
i
为单元i的体积；v0为给定材料用量的总体积；f为体积份数比例；u
s
为设计域ω内s域内的节点位移，c为位移限制常数；ρ
i
为有限单元i的设计变量，其取值下界ρ
min
和上界1分别表示孔洞和实体单元，一般取ρ
min
＝0.001。
[0049]
在一些实施例中，步骤s2中，当所述加筋区域选用材料与基体结构不同时，分别定义所述加筋区域与所述基体选用材料的弹性模量、泊松比和密度。
[0050]
在一些实施例中，步骤s2中，温度载荷为均匀温升或包含温度梯度。
[0051]
实施例1：
[0052]
基体结构平板结构。基板长宽均为500mm，厚度5mm，设计加筋高度为20mm，基板与筋条为同一材料，弹性模量e＝198mpa，泊松比μ＝0.3，热膨胀系数为1.76
×
10
‑5。设计加筋区域为基板表面法向，设计区域材料用量为40％。同时受压力载荷与热载荷，厚度方向有线性温度分布，
‑
z向表面100℃， z向表面60℃，压力载荷为板底面作用1mpa压力。建模软件采用ug，有限元计算软件采用hyperworks。
[0053]
1、建立平板结构的三维cad模型，确定为500mm
×
500mm
×
5mm区域为非设计域，500mm
×
500mm
×
20mm区域为设计域，对基板和加筋区域切分并共享拓扑，加筋区域使用实体材料填充；
[0054]
2、对模型划分网格，网格尺寸为5mm，定义模型的弹性模量、泊松比及热膨胀系数；约束基板上x方向两条边的自由度dof1＝dof2＝dof3＝0，y方向两条边自由度dof1＝dof2＝0；结构沿z轴方向施加100摄氏度到40℃的线性变化温差；
[0055]
3、依据步骤1中对设计域的切分，将设计域有限单元域非设计域有限单元按其所在不同位置分区，并归类到不同集合中，将基板有限单元定义为非设计域，并命名以区分，加筋区域有限单元定义为设计域，并命名以区分，对设计域单元限定其所形成筋条的最小宽度为15mm，起筋方向为z方向，材料用量的体积分数为30％，如图1所示。
[0056]
4、根据边界条件和载荷，以最大应力最小为优化为目标，体积和位移为约束建立如下式优化列式，拓扑优化得到的筋条布局结果云图，如图2所示，深色区域为得到的筋条布局。
[0057]
从图2中看到，采用本发明的优化方法处理只受热载荷的平板加筋设计问题也能获得有效的加筋效果。
[0058][0059]
实施例2：
[0060]
基体结构为类矩形结构。基体厚度为15mm，总长为1340mm，总宽为375mm，结构受0.25mpa内压作用，内外表面720℃温差。基体与筋条为同一材料，弹性模量e＝198mpa，泊松比μ＝0.3，热膨胀系数为1.76
×
10
‑
5。设计加筋布局形式使结构应力最小，变形降低，加筋区域在基体外表面法向，设计区域材料用量为45％。建模软件采用ug，有限元计算软件采用hyperworks。
[0061]
1、对基体结构外表面沿各不同法线方向拉伸50mm形成设计域，对棱角过渡位置倒圆角，圆角半径50mm，对具有不同法向的设计域使用基板外表面切分并于基体结构共享拓扑，加筋设计域全部为实体材料填充；
[0062]
2、根据对称性取模型一半，对模型划分网格，网格尺寸为18mm，定义模型的弹性模量、泊松比及热膨胀系数；对燃气入口测约束其轴向位移为0，同时入口侧于出口侧均释放沿表面膨胀方向的自由度，对称面施加对称约束；模型内表面单元施加0.22mpa压力，温度载荷为内表面750℃，外边面30℃，内外表面之间节点温度线性插值形式过渡；根据需要对有限元模型执行静力学分析，如果结果存在应力集中或应力奇异位置，则在拓扑优化模型中排除这些位置所存在单元；
[0063]
3、依据步骤1中对模型的切分，将设计域有限单元与非设计域有限单元按其所在不同位置分区，并归类到不同集合中；将基体结构的有限单元定义为非设计域，并命名以区分；加筋区域有限单元定义为设计域，对设计域单元依据表面所在法向不同分区成x向、y向和z向，并对各设计域分别命名以区分，限定设计域单元所形成筋条的最小宽度均为35mm，各设计区域起筋方向分别为x方向，y方向，z方向，材料用量的体积分数为45％，如图3所示；
[0064]
4、根据边界条件和载荷，以最大应力最小为优化目标，体积和位移为约束建立优化模型，上述问题所使用的优化列式如下，拓扑优化得到的筋条布局结果云图，如图4所示，对优化后模型静力学分析，得到其强度刚度结果如表1所示，目标函数迭代曲线如图7所示。
[0065][0066]
表1隔离段优化前后力学性能参数对比
[0067][0068]
实施例3：
[0069]
方转圆过度结构。基体厚度为15mm，总长为502.5mm，总宽为368mm，圆端外径为628mm，结构受0.2mpa内压作用，内外表面720℃温差。基体与筋条为同一材料，弹性模量e＝198mpa，泊松比μ＝0.3，热膨胀系数为1.76
×
10
‑5。设计加筋布局形式使结构应力最小，变形降低，加筋区域在基体外表面法向，设计区域材料用量为40％。建模软件采用ug，有限元计算软件采用hyperworks。
[0070]
1、对基体结构外表面沿各不同法线方向拉伸50mm形成设计域，设计域使用基板外表面切分并于基体结构共享拓扑，加筋设计域全部为实体材料填充；
[0071]
2、根据对称性取模型四分之一，对模型划分网格，网格尺寸为10mm，定义模型的弹性模量、泊松比及热膨胀系数；对燃气入口测约束其轴向位移于旋转位移为0，同时入口侧于出口侧均释放沿表面膨胀方向的自由度，对称面施加对称约束；模型内表面单元施加0.2mpa压力，温度载荷为内表面740℃，外边面30℃，内外表面之间节点温度线性插值形式过渡；根据需要对有限元模型执行静力学分析，如果结果存在应力集中或应力奇异位置，则在拓扑优化模型中排除这些位置所存在单元；
[0072]
3、依据步骤1中对模型的切分，将设计域有限单元与非设计域有限单元按其所在不同位置并归类到两个不同集合中；将基体结构的有限单元定义为非设计域，并命名以区分；加筋区域有限单元定义为设计域，并命名以区分，限定设计域单元所形成筋条的最小宽度均为25mm，起筋方向为径向，材料用量的体积分数为45％，如图5所示；
[0073]
4、根据边界条件和载荷，以最大应力最小为优化目标，体积和位移为约束建立优化模型，上述问题所使用的优化列式如下，拓扑优化得到的筋条布局结果云图，如图6所示，对优化后模型静力学分析，得到其强度刚度结果如表2所示，目标函数迭代曲线如图8所示。
[0074][0075]
表2方转圆优化前后隔离段力学性能参数对比
[0076] 等效应力/mpax向(径向)位移/mm重量/kg未加筋模型1123.026.8优化前模型4783.2111.6优化后模型2272.760.9
[0077]
综上所述，采用本发明的一种基于拓扑优化的组合发动机薄壁结构加筋布局方法对组合发动机薄壁结构，在加筋设计时相比于原始机构有效降低了结构变形，相对于增加机体厚度的设计显著降低了结构热应力，加筋设计方法权衡了应力于变形，降低了制造成本。
[0078]
目前对于组合发动机薄壁结构的加筋设计主要通过多次结构的刚度强度分析，结合设计人员经验进行加筋布局。对于采用拓扑优化技术，特别是关于结构在力热耦合载荷作用下加筋布局方案研究较鲜有应用，本发明为组合发动机薄壁结构的加筋设计提供了一种不同方法。
[0079]
本发明为一种基于拓扑优化的组合发动机薄壁结构加筋布局方法，考虑了组合发动机及其试验件在高压与高温载荷共同作用下的加筋拓扑优化问题，相比于单个载荷工况下的筋条布局更加合理，提高了薄壁结构的强度、刚度。通过对复杂结构分区优化起到化繁为简作用，简化了加筋布局设计过程，可适用于多种不同类型结构的加筋拓扑优化问题。包含热载荷时，传统以应变能最小化的结构优化会使应变能减小的同时结构变软很难获得连续加筋结构，本发明以应力为目标，限制位移，优化过程始终考虑了强度和变形，加筋形式连续有利于结构设计。通过本发明对发动机薄壁结构加筋省去了设计阶段对多种方案静力学分析后筛选过程，提高了设计效率，并且经过优化后的薄壁结构加筋形式更佳，可以获得设计性能兼顾制造经济性的筋条布局。解决了现有组合发动机薄壁件及其试验件受热载荷或力热耦合载荷作用下的加筋布局设计过程复杂、效率低，设计难以兼顾材料成本的问题。