面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法与流程

1.本发明属于建筑结构参数化设计和优化领域，更具体地，涉及一种面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法。


背景技术：

2.随着我国航天技术的发展和探月工程的完成，在月球上利用月球原位资源建造月球科研站将成为下一阶段探月工程中的重要目标。针对月球微重力、大温变和伴有微陨石撞击的恶劣环境，月球科研站的结构设计成为了一项重要的工作。传统的月球科研站结构设计方法模型的生成速度慢，修改十分复杂，工作效率低下，且难以针对多个特定目标对结构进行优化。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法，由此解决现有的月球科研站结构设计模型设计复杂、且针对多个特定目标对结构进行优化的参数修改复杂问题。
4.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法，包括：
5.s1，根据所需建造的月球科研站的形状确定多个结构参数变量；
6.s2，基于优化目标，根据所述多个结构参数变量构建多目标函数；
7.s3，求解所述多目标函数，确定所述多个结构参数变量的最优解。
8.优选地，所述月球科研站的形状为双层蛋壳形，所述多个结构参数包括内层壳体曲线的长轴a和短轴b、壳体横截面的长轴a和短轴b、高度h、内外层间距d、内层壳体厚度t1、外层壳体厚度t2。
9.优选地，所述多个结构参数的约束范围为：6m≤a≤7m；2m≤b≤3m；0.8m≤a≤1.8m；0.8m≤b≤1.8m；0.2m≤d≤0.8m；a≤h≤1.2a；0.2m≤t1≤0.3m；0.2m≤t2≤0.3m。
10.优选地，在所述双层蛋壳形之间增加加肋结构。
11.优选地，所述优化目标为内层体积v最大，抗荷载冲击强度m最大，总质量m最小。
12.优选地，所述内层体积v的表达式为：
[0013][0014]
其中，
[0015]
抗荷载冲击强度m的表达式为：
[0016][0017]
其中，v为撞击速度，k1为内层壳体和外层壳体的穿透系数，k2为加肋结构的穿透系数；
[0018]
总质量m的表达式为：
[0019]
m＝ρs1t1 ρs2t2；
[0020]
其中，其中，
[0021]
优选地，所述多目标函数为：min(m-m-v)。
[0022]
优选地，采用遗传算法求解所述多目标函数。
[0023]
优选地，采用多目标遗传算法spea-ii和nsga-ii求解所述多目标函数，得到帕累托前沿解；
[0024]
以任一帕累托前沿解作为所述多目标函数的最优解。
[0025]
按照本发明的第二方面，提供了一面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化系统，包括：
[0026]
结构参数确定模块，用于根据所需建造的月球科研站的形状确定多个结构参数；
[0027]
多目标函数建立模块，用于基于优化目标，根据所述多个结构参数构建多目标函数；
[0028]
求解模块，用于求解所述多目标函数，确定最优解。
[0029]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下有益效果：
[0030]
1、本发明提供的面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法，能够根据所需的月球科研站的形状，设计相应的结构参数变量，并实现在多个目标下的结构参数优化，通过对多目标函数求解获取最优解，即月球科研站的最优结构参数，得到的最优结构参数可直接运用于月球原位资源3d打印，实现对月球科研站的原位3d打印。为面向原位建造的月球科研站结构设计提供了一种高效、可靠的设计及优化方法，能够针对特定的需求对结构进行优化，能够缩短月球科研站的设计周期、降低研制成本。
[0031]
2、本发明提供的面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法，考虑月球的微重力、大温变同时伴有微陨石撞击等环境条件，将月球科研站设计为蛋壳形双层结构，并将该结构划分为八个结构参数变量；将优化目标设定为月球科研站结构的内层体积最大，抗荷载冲击强度最大，总质量最小，以此确定多目标函数，从而得到月球科研站的最佳结构参数。
[0032]
3、本发明提供的面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法，通过在所述双层蛋壳形之间增加加肋结构，能够进一步提高月球科研站的抗冲击性能。
附图说明
[0033]
图1为本发明提供的面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法流程示意图；
[0034]
图2为本发明提供的面向原位建造的月球科研站的概念图；
[0035]
图3为本发明提供的面向原位建造的月球科研站在三维建模软件rhino中构建的模型图；
[0036]
图4为本发明提供的面向原位建造的月球科研站的结构参数示意图之一；
[0037]
图5为本发明提供的面向原位建造的月球科研站的结构参数示意图之二；
[0038]
图6为本发明提供的面向原位建造的月球科研站的结构参数示意图之三；
[0039]
图7为本发明提供的面向原位建造的月球科研站在三维建模软件rhino的插件grasshopper中进行参数化设计的电池组示意图；
[0040]
图8为本发明提供的pareto前沿解分布图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0042]
本发明实施例提供一种面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法，如图1所示，包括：
[0043]
s1，根据所需建造的月球科研站的形状确定多个结构参数变量。
[0044]
优选地，如图2-3所示，所述月球科研站的形状为双层蛋壳形，
[0045]
如图4-6所示，所述多个结构参数变量包括内层壳体曲线的长轴a和短轴b、壳体横截面的长轴a和短轴b、高度h、内外层间距d、内层壳体厚度t1、外层壳体厚度t2。
[0046]
优选地，在所述双层蛋壳形之间增加加肋结构。
[0047]
具体地，所述双层蛋壳形之间还包括加肋结构，即所述的面向原位建造的月球科研站结构为蛋壳形双层加肋结构。
[0048]
如图2-3所示，所述月球科研站的结构分为内外两层，中间为加肋结构，加肋结构位于内外两层的间隙处，截面呈波纹状，紧贴内层壳体和外层壳体，月球科研站整体外形呈现蛋壳形，并在三维建模软件rhino中构建其具体结构形状，如图2-3所示。通过增加上述加肋结构，能够提高月球科研站的抗冲击性能。
[0049]
考虑月球的微重力、大温变同时伴有微陨石撞击等环境条件，可在三维建模软件rhino中构建月球科研站具体结构形式和形状；也可以通过代码利用matlab实现。
[0050]
利用三维建模软件rhino中的插件grasshopper，对月球科研站结构进行参数化设计，设计八个参数变量,分别是内层壳体曲线的长轴a和短轴b、壳体横截面的长轴a短轴b、结构的高度h、内外层的间距d和内层壳体的厚度，内层壳体厚度t1、外层壳体厚度t2，来控制蛋壳形双层加肋的月球科研站结构，在整体蛋壳形外形和双层加肋结构形式保持不变的前提下，这八个参数变量能改变月球科研站的大小、力学性能等指标，并且每个参数变量都根据实际建造的经验设置了约束范围。
[0051]
如图7所示，通过三维建模软件rhino中的插件grasshopper将蛋壳形双层加肋的月球科研站结构划分为八个参数变量，每个参数变量有一定的约束范围，通过这八个参数变量能控制蛋壳形双层加肋的月球科研站结构的体积、质量、抗荷载冲击强度等指标。
[0052]
优选地，所述多个结构参数变量的约束范围为：6m≤a≤7m；2m≤b≤3m；0.8m≤a≤1.8m；0.8m≤b≤1.8m；0.2m≤d≤0.8m；a≤h≤1.2a；0.2m≤t1≤0.3m；0.2m≤t2≤0.3m。
[0053]
具体地，内层壳体曲线长轴6m≤a≤7m，
[0054]
内层壳体曲线短轴2m≤b≤3m；
[0055]
壳体横截面的长轴和短轴0.8m≤a≤1.8m；0.8m≤b≤1.8m；
[0056]
内外层之间的间距0.2m≤d≤0.8m；
[0057]
结构的高度a≤h≤1.2a；
[0058]
内外层壳体的厚度0.2m≤t1≤0.3m；0.2m≤t2≤0.3m。
[0059]
s2，基于优化目标，根据所述多个结构参数变量构建多目标函数。
[0060]
具体地，根据面向原位建造的月球科研站的功能和月球的环境条件，确定优化的目标。
[0061]
优选地，所述优化目标为内层体积v最大，抗荷载冲击强度m最大，总质量m最小。
[0062]
即蛋壳形双层加肋的月球科研站结构的内层体积最大，抗荷载冲击强度最大，总质量最小。
[0063]
s3，求解所述多目标函数，确定所述多个结构参数变量的最优解。
[0064]
具体地，依据力学原理和数学微积分知识，建立数学模型，得到蛋壳形双层加肋的月球科研站结构的内层体积、抗荷载冲击强度和总质量用八个参数变量和其他一些已知参数表示的数学表达式，并构建多目标函数。即，根据力学原理和数学微积分知识，将蛋壳形双层加肋的月球科研站结构的体积、质量和抗荷载冲击强度数值通过月球科研站结构的参数变量用数学公式表达出来。
[0065]
优选地，所述内层体积v的表达式为：
[0066][0067]
其中，
[0068]
抗荷载冲击强度m的表达式为：
[0069][0070]
其中，v为撞击速度，k1为内层壳体和外层壳体的穿透系数，k2为加肋结构的穿透系数；
[0071]
总质量m的表达式为：
[0072]
m＝ρs1t1 ρs2t2；
[0073]
其中，其中，
[0074]
进一步地，根据优化目标：内层体积v最大，抗荷载冲击强度m最大，总质量m最小，可知，所述多目标函数为：min(m-m-v)，即：
[0075]
①
体积v
[0076][0077]
②
总质量m
[0078][0079]
ρ为材料的密度，s1为内层表面积，s2为外层表面积。
[0080]
③
抗荷载冲击强度m：用单位面积抗冲击陨石的最大质量m表示。
[0081][0082]
v为撞击速度,单位m/s,根据资料，取20000m/s；w/a是弹丸单位投影面的质量,单位为kg/m2；k1和k2均为穿透系数。其中，k1为内外两层壳体的穿透系数；优选地，k1取普通混凝土对应的值，k1＝0.00799；k2为内外层壳体之间的加肋结构的穿透系数；优选地，k2取增强混凝土对应的值，k2＝0.00284。
[0083]
优选地，采用遗传算法求解所述多目标函数。
[0084]
具体地，通过遗传算法对参数化的月球科研站结构在多种目标下进行参数优化。
[0085]
优选地，其特征在于采用多目标遗传算法spea-ii和nsga-ii求解所述多目标函数，得到帕累托前沿解；
[0086]
以任一帕累托前沿解作为所述多目标函数的最优解。
[0087]
具体地，利用遗传算法spea-ii和nsga-ii对蛋壳形双层加肋结构的八个参数变量进行优化，以实现内体积最大、质量最小、抗荷载冲击强度最小这三个目标，最终得到多个pareto前沿解。
[0088]
进一步地，利用三维建模软件rhino中的插件octopus的多目标遗传算法spea-ii和nsga-ii对蛋壳形双层加肋结构的八个参数变量进行优化，以实现内层体积和抗荷载冲击强度最大、总质量最小的多目标，经过200代的迭代优化后，得到帕累托前沿解，如图8所示。
[0089]
最终，导出每一个pareto前沿解的八个参数变量的值和三个目标函数的值。
[0090]
进一步地，在rhino中可视化每一个pareto前沿解的具体形状。
[0091]
进一步地，根据实际建造情况和主观决策，从pareto前沿解中选择一个解作为实际问题的最优解。
[0092]
采用三维建模软件rhino进行建模，优化后得到的参数可直接在结构模型表达出来，修改十分便捷，可操作性强，得到的结构可靠性较高。
[0093]
即根据决策者的需求和分析，选中pareto前沿解中的一个解作为最优解，即该解所对应的结构参数为实际建造中的结构参数，从而得到面向原位建造的月球科研站在内层体积最大、抗荷载冲击强度最大和总质量最小三个目标下的最优形状。将含有上述实际建造中的结构参数信息的模型stl文件，导入3d打印软件即可利用月球原位资源(例如月壤)进行原位3d打印得到所设计的内层体积最大、抗荷载冲击强度最大和总质量最小的月球科研站。
[0094]
下面对本发明提供的面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化系统进行描述，下文描述的面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化系统与上文描述的面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化方法可相互对应参照。
[0095]
本发明实施例提供一种面向原位建造的月球科研站参数化设计及多目标优化系统，包括：
[0096]
结构参数确定模块，用于根据所需建造的月球科研站的形状确定多个结构参数；
[0097]
多目标函数建立模块，用于基于优化目标，根据所述多个结构参数构建多目标函数；
[0098]
求解模块，用于求解所述多目标函数，确定最优解。
[0099]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。