针对防隔热一体化结构热防护方案的优化方法及系统与流程

1.本发明涉及热防护方案设计、结构减重优化领域，具体地，涉及一种针对防隔热一体化结构热防护方案的优化方法及系统，尤其是涉及一种针对防隔热一体化结构热防护方案的多约束自适应优化方法。


背景技术：

2.随着飞行器的飞行速度和距离日益提高，其面临的气动加热环境愈发严酷。为保障舱体结构和舱内设备的温度在飞行过程中处于满足使用要求的范围内，需要针对飞行器进行热防护方案设计。考虑到轻质化设计对飞行器性能有显著的提升效果，如何通过合理搭配选择热防护材料与承载金属材料的厚度，实现在满足结构温度、强度、空间等多方面约束的情况下，尽可能降低热防护方案的结构重量，成为了超高速飞行器研制过程中的重要问题之一。
3.研究表明，多数金属材料的强度极限随着温度的上升而下降，增大热防护材料厚度，将通过降低金属材料温度提升承载能力。金属材料具有较大的热沉，增大金属材料厚度，可以同时降低截面应力和温度。通过增大热防护材料厚度引入的额外重量较小，而增大金属材料厚度引入额外的重量较大。但另一方面，通过增大热防护材料厚度降低温度将占用较多空间。由此可见，该优化问题受多种因素影响，难以通过简单分析和计算找到最优解。
4.在工程实践中，基于工程经验进行正向设计仍较为常见。即由工程人员根据以往设计经验直接确定结构金属厚度和防热材料厚度，再分别开展应力计算和热传导计算，根据计算结果对其是否满足承载要求进行判断和优化。上述方法存在一定的局限性。一方面，设计过程依赖于工程人员的设计经验，结构承载余量难以实现定量化，标准化。另一方面，由于影响因素多，难以直接判断在何层材料减重效果较好，只能通过大量试错来实现，限制了结构减重优化的效率和效果。因此，为便利工程人员开展超高速飞行器的结构热防护方案设计和优化，有必要提供一种新的针对轴对称防隔热一体化结构的热防护方案快速优化方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种针对防隔热一体化结构热防护方案的优化方法及系统。
6.根据本发明提供的一种针对防隔热一体化结构热防护方案的优化方法，包括：
7.步骤s1：根据使用环境、备选材料特性和结构空间结构，设定优化输入参数，随机生成包含一定数量个体的初始种群；
8.步骤s2：根据个体的特征，建立基于有限体积法的计算模型；
9.步骤s3：对于种群内的每一个个体，开展强度计算和热传导计算；
10.步骤s4：对于种群内的每一个个体，根据强度计算结果、温度计算结果、前一代种
群特征，计算目标函数和罚函数，得到每个个体的适应度；
11.步骤s5：对本代种群的全部个体进行适应度评估，若满足退出要求，则完成优化，将当前进化的种群中适应度最小的个体给出的防热方案作为优化结果，否则进入步骤s6；
12.步骤s6：根据自适应参数对个体进行保留、交叉和变异，产生新一代种群，随后重复步骤s2-步骤s5。
13.优选地，所述步骤s1包括：
14.对于由n层材料组成的防隔热一体化结构，给定遗传算法的核心参数最大进化次数gen
max
、种群规模pop，备选材料特性最大许用温度t
limit
，优化允许的最大结构厚度h
limit
；
15.随机生成一个包含pop个个体的初始种群，每一个个体g包含一组材料厚度，即：
16.g＝[h1,h2,...,hn]。
[0017]
优选地，所述步骤s2包括：
[0018]
对于每一个个体g，根据其每一层厚度hi(i＝1,2,...,n)，基于有限体积法离散成一系列单元，并对每个单元进行材料参数赋值，材料参数包括导热系数k，比热容c 和密度ρ；
[0019]
对于金属材料、防热材料和隔热材料，其材料参数不随空间变化，该材料的所有单元均赋相同的材料参数值；
[0020]
对于由防热材料和隔热材料组成的两相功能梯度材料，考虑其成分随空间线性变化的情形，依据下述方法对各单元进行材料参数赋值：
[0021][0022]cgrad
＝(1-v
β
)c
α
v
βcβ
[0023]
ρ
grad
＝(1-v
β
)ρ
α
v
β
ρ
β
[0024]
其中角标grad表示功能梯度材料，角标α和β分别表示组成功能梯度材料的两相，对于本方法，α代表防热材料，β表示隔热材料，v
β
为隔热材料的体积分数；
[0025]
设置的计算模型初始条件为全局初始温度，计算模型边界条件包括热载荷和力载荷，热载荷以第二类边界条件或第三类边界条件的形式输入，力载荷包括结构承受的最大弯矩m和结构外直径d。
[0026]
优选地，所述步骤s3包括：
[0027]
对于当前进化的每一个个体，计算截面最大应力：
[0028][0029]
其中i为惯性矩，由下式计算：
[0030][0031]
其中d为结构内直径；
[0032]
对其是否满足常温强度要求进行判断；根据金属在常温下的强度极限sn进行判断：
[0033]
σ
max
≤sn[0034]
若上式不成立，该个体不满足强度约束条件，将适应度fit赋为一个大值并跳转至步骤s4；
[0035]
若上式成立，该个体在常温下结构满足要求，继续开展温度响应计算；采用在步骤s2中建立的有限体积法计算模型，进行一维瞬态热传导计算，得到各单元在各计算时刻的温度t；在对温度约束的空间区域内进行筛选，取出范围内全时刻中的最大温度t
max
；
[0036]
采用t
max
在金属强度极限曲线中线性插值，得到最高温度条件下的高温强度极限sh，若最大温度超出强度极限的温度范围，令高温强度极限sh＝1，使其能够继续计算，并在进化中被快速淘汰。
[0037]
优选地，所述步骤s4包括：
[0038]
对当前进化的每一个个体进行目标函数计算，取线密度ρ
l
作为目标函数，其表达式为：
[0039]
ρ
l
＝ρ
αaα
∫ρ
grad
(r)c
grad
(r)dr ρ
βaβ
ρ
mam
[0040]
其中a为截面积，角标α、grad、β、m分别表示防热材料、两相梯度材料、隔热材料和金属材料；r为结构半径，上式进一步整理为：
[0041][0042]
其中r0、r1、r2、r3、r4分别为防热层外半径、防热层内半径、梯度层内半径、隔热层内半径和金属层内半径；
[0043]
对于当前进化的所有个体，根据当前进化代数和最大进化代数，计算自适应罚因子δ：
[0044]
δ(gen)＝10
λy(gen)
[0045]
其中λ为引入的常数参数，y(gen)表达式如下：
[0046][0047]
对于当前进化的每一个个体，根据步骤s3的计算结果和个体包含的各层材料厚度，计算强度约束、温度约束和空间约束的满足情况，得到其罚函数p，其表达式为：
[0048][0049]
其中pi(g)为约束函数，b为约束条件总个数；
[0050]
强度约束以剩余强度系数表示，其约束函数表达式为：
[0051][0052]
温度约束以无量纲化表达式，其约束函数表达式为：
[0053][0054]
空间约束以无量纲化表达式，其约束函数表达式为：
[0055][0056]
对于当前进化的每一个个体，通过下式计算，得到适应度值：
[0057]
fit(gen,g)＝ρ
l
(g) δ(gen)p(g)。
[0058]
优选地，所述步骤s5包括：
[0059]
对于当前进化的整个种群，按照下式计算平均适应度
[0060][0061]
对于当前进化的整个种群，比较最小适应度和平均适应度，及当前进化代数和最大进化代数：
[0062][0063]
gen≥gen
max
[0064]
其中δα
thres
为结束优化的阈值。
[0065]
若上述两式之一成立，则优化已经完成，最小适应度对应的个体所包含的一组材料厚度[h1,h2,k,hn]即为该优化方法得到的最小重量热防护方案，并终止优化。
[0066]
若上述两式均不成立，则优化尚未完成，跳转至步骤s6。
[0067]
优选地，所述步骤s6包括：
[0068]
对于当前进化的整个种群，进行自适应遗传算法的交叉概率、变异概率计算；
[0069]
交叉概率pc以下式进行计算：
[0070][0071]
其中，p
max
、p
min
分别为交叉概率的上限和下限，r
max
、r
min
分别为自适应交叉概率的最大限定概率和最小限定概率，δα是当前进化代数时最小适应度和平均适应度的差，其以下式计算：
[0072][0073]
δα0是初始种群的最小适应值和平均适应值之差。
[0074]
变异概率pm以下式进行计算：
[0075]
pm＝1-p
e-pc[0076]
其中pe为保留比例；对于当前进化的整个种群，将上述各概率乘以种群规模，得到
保留、交叉和变异的个体数量；
[0077]
交叉个体以如下方法确定：每次从种群中随机抽取两个个体交叉，得到一个新的个体，直到达到交叉个体数量；
[0078]
变异个体以如下方法确定：每次从种群中随机抽取一个个体，随机对其进行变异，直到达到变异个体数量；
[0079]
保留个体、新生成的交叉个体和变异个体组成新一代种群，重复步骤s2-步骤 s5。
[0080]
根据本发明提供的一种针对防隔热一体化结构热防护方案的优化系统，包括：
[0081]
模块m1：根据使用环境、备选材料特性和结构空间结构，设定优化输入参数，随机生成包含一定数量个体的初始种群；
[0082]
模块m2：根据个体的特征，建立基于有限体积法的计算模型；
[0083]
模块m3：对于种群内的每一个个体，开展强度计算和热传导计算；
[0084]
模块m4：对于种群内的每一个个体，根据强度计算结果、温度计算结果、前一代种群特征，计算目标函数和罚函数，得到每个个体的适应度；
[0085]
模块m5：对本代种群的全部个体进行适应度评估，若满足退出要求，则完成优化，将当前进化的种群中适应度最小的个体给出的防热方案作为优化结果，否则进入模块m6；
[0086]
模块m6：根据自适应参数对个体进行保留、交叉和变异，产生新一代种群，随后重复模块m2-s5。
[0087]
优选地，所述模块m1包括：
[0088]
对于由n层材料组成的防隔热一体化结构，给定遗传算法的核心参数最大进化次数gen
max
、种群规模pop，备选材料特性最大许用温度t
limit
，优化允许的最大结构厚度h
limit
；
[0089]
随机生成一个包含pop个个体的初始种群，每一个个体g包含一组材料厚度，即：
[0090]
g＝[h1,h2,...,hn]。
[0091]
优选地，所述模块m2包括：
[0092]
对于每一个个体g，根据其每一层厚度hi(i＝1,2,...,n)，基于有限体积法离散成一系列单元，并对每个单元进行材料参数赋值，材料参数包括导热系数k，比热容c 和密度ρ；
[0093]
对于金属材料、防热材料和隔热材料，其材料参数不随空间变化，该材料的所有单元均赋相同的材料参数值；
[0094]
对于由防热材料和隔热材料组成的两相功能梯度材料，考虑其成分随空间线性变化的情形，依据下述方法对各单元进行材料参数赋值：
[0095][0096]cgrad
＝(1-v
β
)c
α
v
βcβ
[0097]
ρ
grad
＝(1-v
β
)ρ
α
v
β
ρ
β
[0098]
其中角标grad表示功能梯度材料，角标α和β分别表示组成功能梯度材料的两相，对于本方法，α代表防热材料，β表示隔热材料，v
β
为隔热材料的体积分数；
[0099]
设置的计算模型初始条件为全局初始温度，计算模型边界条件包括热载荷和力载荷，热载荷以第二类边界条件或第三类边界条件的形式输入，力载荷包括结构承受的最大
弯矩m和结构外直径d。
[0100]
优选地，所述模块m3包括：
[0101]
对于当前进化的每一个个体，计算截面最大应力：
[0102][0103]
其中i为惯性矩，由下式计算：
[0104][0105]
其中d为结构内直径；
[0106]
对其是否满足常温强度要求进行判断；根据金属在常温下的强度极限sn进行判断：
[0107]
σ
max
≤sn[0108]
若上式不成立，该个体不满足强度约束条件，将适应度fit赋为一个大值并跳转至模块m4；
[0109]
若上式成立，该个体在常温下结构满足要求，继续开展温度响应计算；采用在步骤s2中建立的有限体积法计算模型，进行一维瞬态热传导计算，得到各单元在各计算时刻的温度t；在对温度约束的空间区域内进行筛选，取出范围内全时刻中的最大温度t
max
；
[0110]
采用t
max
在金属强度极限曲线中线性插值，得到最高温度条件下的高温强度极限sh，若最大温度超出强度极限的温度范围，令高温强度极限sh＝1，使其能够继续计算，并在进化中被快速淘汰。
[0111]
优选地，所述模块m4包括：
[0112]
对当前进化的每一个个体进行目标函数计算，取线密度ρ
l
作为目标函数，其表达式为：
[0113]
ρ
l
＝ρ
αaα
∫ρ
grad
(r)c
grad
(r)dr ρ
βaβ
ρ
mam
[0114]
其中a为截面积，角标α、grad、β、m分别表示防热材料、两相梯度材料、隔热材料和金属材料；r为结构半径，上式进一步整理为：
[0115][0116]
其中r0、r1、r2、r3、r4分别为防热层外半径、防热层内半径、梯度层内半径、隔热层内半径和金属层内半径；
[0117]
对于当前进化的所有个体，根据当前进化代数和最大进化代数，计算自适应罚因子δ：
[0118]
δ(gen)＝10
λy(gen)
[0119]
其中λ为引入的常数参数，y(gen)表达式如下：
[0120][0121]
对于当前进化的每一个个体，根据模块m3的计算结果和个体包含的各层材料厚度，计算强度约束、温度约束和空间约束的满足情况，得到其罚函数p，其表达式为：
[0122][0123]
其中pi(g)为约束函数，b为约束条件总个数；
[0124]
强度约束以剩余强度系数表示，其约束函数表达式为：
[0125][0126]
温度约束以无量纲化表达式，其约束函数表达式为：
[0127][0128]
空间约束以无量纲化表达式，其约束函数表达式为：
[0129][0130]
对于当前进化的每一个个体，通过下式计算，得到适应度值：
[0131]
fit(gen,g)＝ρ
l
(g) δ(gen)p(g)。
[0132]
优选地，所述模块m5包括：
[0133]
对于当前进化的整个种群，按照下式计算平均适应度
[0134][0135]
对于当前进化的整个种群，比较最小适应度和平均适应度，及当前进化代数和最大进化代数：
[0136][0137]
gen≥gen
max
[0138]
其中δα
thres
为结束优化的阈值。
[0139]
若上述两式之一成立，则优化已经完成，最小适应度对应的个体所包含的一组材料厚度[h1,h2,k,hn]即为该优化方法得到的最小重量热防护方案，并终止优化。
[0140]
若上述两式均不成立，则优化尚未完成，跳转至步骤s6。
[0141]
优选地，所述模块m6包括：
[0142]
对于当前进化的整个种群，进行自适应遗传算法的交叉概率、变异概率计算；
[0143]
交叉概率pc以下式进行计算：
[0144][0145]
其中，p
max
、p
min
分别为交叉概率的上限和下限，r
max
、r
min
分别为自适应交叉概率的最大限定概率和最小限定概率，δα是当前进化代数时最小适应度和平均适应度的差，其以下式计算：
[0146][0147]
δα0是初始种群的最小适应值和平均适应值之差。
[0148]
变异概率pm以下式进行计算：
[0149]
pm＝1-p
e-pc[0150]
其中pe为保留比例；对于当前进化的整个种群，将上述各概率乘以种群规模，得到保留、交叉和变异的个体数量；
[0151]
交叉个体以如下方法确定：每次从种群中随机抽取两个个体交叉，得到一个新的个体，直到达到交叉个体数量；
[0152]
变异个体以如下方法确定：每次从种群中随机抽取一个个体，随机对其进行变异，直到达到变异个体数量；
[0153]
保留个体、新生成的交叉个体和变异个体组成新一代种群，重复模块m2-m5。
[0154]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0155]
1、本发明较现有技术拓展了可进行优化的材料范围，能够针对由材料性能随空间连续变化的功能梯度材料组成的防隔热一体化材料开展热防护方案优化设计。
[0156]
2、本发明较现有技术拓展了可进行优化的场景，能够在强度、温度和空间同时进行约束的使用条件下开展热防护方案优化设计。
[0157]
3、本发明较现有技术通过引入新的约束转化方法和自适应方法，对优化算法进行了针对性改进，提升优化效率。
附图说明
[0158]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0159]
图1为一种针对防隔热一体化结构热防护方案的自适应优化方法流程图；
[0160]
图2为本发明实施例中的计算模型示意图；
[0161]
图3为本发明实施例中的输入热流曲线图；
[0162]
图4为本发明实施例中的种群最小适应度随进化代数增加的变化示意图。
具体实施方式
[0163]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明
的保护范围。
[0164]
实施例1
[0165]
根据本发明提供的一种针对防隔热一体化结构热防护方案的多约束自适应优化方法，包括：如图1所示，
[0166]
步骤s1：根据使用环境、备选材料特性和结构空间结构，给定最大进化次数 gen
max
、种群规模pop、最大许用温度t
limit
、最大结构厚度h
limit
等优化输入参数，并随机生成包含pop个个体的种群，每个个体为一种由n层不同材料组成的结构形式，其由一组材料厚度参数[h1,h2,...,hn]确定，hi(i＝1,2,...,n)为由外表面至内表面各层材料的厚度值。
[0167]
步骤s2：根据个体的各层材料厚度[h1,h2,...,hn]，对防隔热一体化结构进行计算单元划分，根据单元划分对各单元进行材料参数赋值，设置计算模型的初始条件和边界条件，建立基于有限体积法的计算模型。
[0168]
步骤s3：对于当前进化的每个个体，开展最大应力计算σ
max
，并判断其是否满足常温强度要求，若不满足，则将适应度fit赋为一个极大值，并跳转至步骤s4，若满足，则根据s2建立的计算模型，开展温度响应计算并得到的最高温度t
max
，计算高温强度sh。
[0169]
步骤s4：对于当前进化的每个个体，根据各层材料厚度，计算其目标函数线密度ρ
l
，根据当前进化代数gen与最大进化代数gen
max
，计算自适应罚函数因子δ，根据最大结构厚度h
limit
约束、最大许用温度t
limit
和高温强度约束sh的满足情况，计算其罚函数p，根据ρ
l
、δ、p计算得到该个体的适应度值fit。
[0170]
步骤s5：对于当前进化种群的适应度值特征进行评估，若种群的平均适应度与最小适应度之差小于阈值，或当前代数gen达到最大进化次数gen
max
，则认为已经完成优化，将种群中适应度最小的个体包含的一组厚度[h1,h2,k,hn]作为优化结果，否则继续。
[0171]
步骤s6：根据当前代数gen和自适应参数，计算交叉概率pc和变异概率pm的值，从当前种群中选择个体进行保留、交叉和变异，生产新一代种群，并重复步骤 s2-步骤s5。
[0172]
具体地，所述步骤s1包括：
[0173]
对于由n层材料组成的防隔热一体化结构，给定遗传算法的核心参数最大进化次数gen
max
、种群规模pop，备选材料特性最大许用温度t
limit
，优化允许的最大结构厚度h
limit
。
[0174]
随机生成一个包含pop个个体的初始种群，每一个个体g包含一组材料厚度，即：
[0175]
g＝[h1,h2,...,hn]
[0176]
具体地，所述步骤s2包括：
[0177]
对于每一个个体g，根据其每一层厚度hi(i＝1,2,...,n)，基于有限体积法离散成一系列单元，并对每个单元进行材料参数赋值，材料参数包括导热系数k，比热容c 和密度ρ。对于金属材料、防热材料和隔热材料，其材料参数不随空间变化，该材料的所有单元均赋相同的材料参数值。对于由防热材料和隔热材料组成的两相功能梯度材料，考虑其成分随空间线性变化的情形，依据下述方法对各单元进行材料参数赋值：
[0178][0179]cgrad
＝(1-v
β
)c
α
v
βcβ
[0180]
ρ
grad
＝(1-v
β
)ρ
α
v
β
ρ
β
[0181]
其中角标grad表示功能梯度材料，角标α和β分别表示组成功能梯度材料的两相，对于本方法，α代表防热材料，β表示隔热材料。v
β
为隔热材料的体积分数，在线性变化条件下，其可表示为当前单元所处位置与梯度层总厚度之比。
[0182]
设置的计算模型初始条件为全局初始温度。计算模型边界条件包括热载荷和力载荷。热载荷可分为第二类边界条件和第三类边界条件。力载荷包括结构承受的最大弯矩m和结构外直径d。
[0183]
具体地，所述步骤s3包括：
[0184]
对于当前进化的每一个个体，根据下述材料力学公式计算截面最大应力：
[0185][0186]
其中i为惯性矩，对于本方法涉及的圆环截面，其可由下式计算：
[0187][0188]
其中d为结构内直径。
[0189]
对其是否满足常温强度要求进行判断。本方法假设防热材料、隔热材料和梯度功能材料均不具备承载能力，所有应力均由金属材料承担，故根据金属在常温下的强度极限sn进行判断：
[0190]
σ
max
≤sn[0191]
若上式不成立，即对于该个体，在常温下结构不能满足承载要求，由于多数金属材料的强度极限随温度上升而下降，故在高温下显然不能满足承载要求，即个体不满足强度约束条件，故将适应度fit赋为一个极大值并跳转至步骤s4。
[0192]
若上式成立，即对于该个体，在常温下结构能满足要求。继续开展温度响应计算。采用在步骤s2中建立的有限体积法计算模型，进行一维瞬态热传导计算，得到各单元在各计算时刻的温度t。在对温度约束的空间区域内进行筛选，取出范围内全时刻中的最大温度t
max
。
[0193]
计算对结构进行从严考核，假定结构承受最大载荷的时刻与结构出现最大温度的时刻一致。金属的强度极限是温度的函数，故采用t
max
在金属强度极限曲线中线性插值，得到最高温度条件下的高温强度极限sh，若最大温度超出强度极限的温度范围，则金属材料实质上已不能承载。为计算便利，令高温强度极限sh＝1，使其能够继续计算，并在进化中被快速淘汰。
[0194]
具体地，所述步骤s4包括：
[0195]
对于当前进化的每一个个体，进行目标函数计算。热防护方案的优化目标是在满足约束条件的情况下，尽可能减重。故取线密度ρ
l
作为目标函数，本方法中的线密度是指沿轴线方向单位长度的质量。其表达式为：
[0196]
ρ
l
＝ρ
αaα
∫ρ
grad
(r)c
grad
(r)dr ρ
βaβ
ρ
mam
[0197]
其中a为截面积，角标α、grad、β、m分别表示防热材料、两相梯度材料、隔热材料和金属材料。r为结构半径。特别地，对于方法主要针对的圆环形截面结构，并假设各层材料间无显著缝隙，则上式可进一步整理为：
[0198][0199]
其中r0、r1、r2、r3、r4分别为防热层外半径、防热层内半径、梯度层内半径、隔热层内半径和金属层内半径。采用上式代替普通的平均密度作为目标函数，考虑结构直径对实际材料体积的影响，提升了优化的精度，特别是对小直径结构的优化效果。
[0200]
对于当前进化的所有个体，根据当前进化代数和最大进化代数，计算自适应罚因子δ：
[0201]
δ(gen)＝10
λy(gen)
[0202]
其中λ为引入的常数参数，y(gen)表达式如下：
[0203][0204]
该自适应罚因子使罚函数的权重在进化过程中呈现由高到低再高的变化过程，使优化方法在进化初期快速排除不可行解，在进化中间阶段避免交叉或变异出的靠近最优解不可行域一侧的个体被淘汰，在进化后期，降低最优解落入不可行一侧的概率，有助于提升优化方法效率。
[0205]
对于当前进化的每一个个体，根据步骤s3的计算结果和个体包含的各层材料厚度，计算强度约束、温度约束和空间约束的满足情况，得到其罚函数p。本优化方法采用外点罚函数法，其表达式为：
[0206][0207]
其中pi(g)为约束函数，b为约束条件总个数。强度约束、温度约束、空间约束的约束函数分别在下述中给出。
[0208]
强度约束以剩余强度系数表示，其约束函数表达式为：
[0209][0210]
温度约束以无量纲化表达式，其约束函数表达式为：
[0211][0212]
空间约束以无量纲化表达式，其约束函数表达式为：
[0213][0214]
约束函数均使用无量纲化表达式，使得于强度、温度和空间约束的量级保持一致，
避免由于其中一种约束量级过大，导致其余约束被忽略，或其中一种约束量级过小，导致其自身被其他约束掩盖，无法正确进行约束的情况。
[0215]
对于当前进化的每一个个体，通过下式计算，得到适应度值：
[0216]
fit(gen,g)＝ρ
l
(g) δ(gen)p(g)
[0217]
具体地，所述步骤s5包括：
[0218]
对于当前进化的整个种群，按照下式计算平均适应度
[0219][0220]
对于当前进化的整个种群，比较最小适应度和平均适应度，及当前进化代数和最大进化代数：
[0221][0222]
gen≥gen
max
[0223]
其中δα
thres
为结束优化的阈值。
[0224]
若上述两式之一成立，则优化已经完成，最小适应度对应的个体所包含的一组材料厚度[h1,h2,k,hn]即为该优化方法得到的最小重量热防护方案，并终止优化。
[0225]
若上述两式均不成立，则优化尚未完成，跳转至步骤s6。
[0226]
具体地，所述步骤s6包括：
[0227]
对于当前进化的整个种群，进行自适应遗传算法的交叉概率、变异概率计算。
[0228]
交叉概率pc以下式进行计算：
[0229][0230]
其中，p
max
、p
min
分别为交叉概率的上限和下限，r
max
、r
min
分别为自适应交叉概率的最大限定概率和最小限定概率，δα是当前进化代数时最小适应度和平均适应度的差，其以下式计算：
[0231][0232]
δα0是初始种群的最小适应值和平均适应值之差。
[0233]
变异概率pm以下式进行计算：
[0234]
pm＝1-p
e-pc[0235]
其中pe为保留比例，其含义为，将当前种群内的个体以适应度升序排序，该比例范围内的个体在进化时不参与交叉和变异。
[0236]
对于当前进化的整个种群，将上述各概率乘以种群规模，得到保留、交叉和变异的个体数量。交叉个体以如下方法确定：每次从种群中随机抽取两个个体交叉，得到一个新的个体，直到达到交叉个体数量。变异个体以如下方法确定：每次从种群中随机抽取一个个体，随机对其进行变异，直到达到变异个体数量。
[0237]
保留个体、新生成的交叉个体和变异个体组成新一代种群，重复步骤s2-步骤 s5。
[0238]
实施例2
[0239]
实施例2是实施例1的变化例。
[0240]
以一个由防热材料、梯度材料、隔热材料、金属材料组成的轴对称防隔热一体化结构的热防护方案设计优化问题为算例。算例涉及的材料热物性如表1所示：
[0241]
表1
[0242][0243]
设计的材料强度性能如表2所示：
[0244]
表2
[0245][0246]
步骤1、给定遗传算法的核心参数，最大进化次数gen
max
＝140，种群规模pop＝120，隔热材料最大许用温度t
limit
＝900k，优化允许最大厚度h
limit
＝5mm。随机生成一个包含120个个体的初始种群，种群中的每一个个体包含一组材料厚度：
[0247]
g＝[h1,h2,h3,h4]
[0248]
步骤2、对于当前种群的每一个个体g，将防热和隔热材料离散每0.05mm划分为一个单元，将金属材料共划分为10个单元，对每个单元赋热物性参数。将梯度材料每 0.05mm划分一个单元，依据给出的公式对各单元进行赋值，对于一个划分为20个单元，其各单元的材料热物性参数如表3所示：
[0249]
表3
[0250][0251][0252]
有限体积法计算模型的几何示意图如图2所示。
[0253]
设置计算模型的边界条件，热载荷以时变热流(第二类边界条件)给定，其随时间变化的热流曲线如图3所示。力载荷为弯矩m＝4600n
·
m，飞行器外径d＝100mm。
[0254]
设置计算模型的初始条件，初始全局温度为298k。
[0255]
步骤3、对于当前进化的每一个个体，根据公式计算截面最大应力：
[0256][0257]
其中惯性矩i根据圆环截面公式计算：
[0258][0259]
其中d为结构内直径，针对每一个个体，其可由个体包含的一组厚度g＝[h1,h2,h3,h4] 计算得到：
[0260]
d＝d-2
×
(h1 h2 h3 h4)＝0.1-2
×
(h1 h2 h3 h4)
[0261]
对每一个个体，判断其是否满足常温强度要求。根据表2给出的温度-强度极限关系，可得到该金属材料的常温强度sn＝1400mpa，对于种群内的每一个个体，进行判断：
[0262]
σ
max
≤1400
[0263]
对于该式不成立的个体，即常温下结构不能满足承载要求，将该个体适应度赋一大值fit＝106，并跳转至步骤s5。
[0264]
对于该式成立的个体，继续开展温度响应计算。根据步骤s2建立的有限体积法计算模型进行一维瞬态热传导计算，得到隔热层各单元在各时刻的温度t，并筛选出最大值 t
max
。
[0265]
根据表2所给出的温度-强度极限关系，采用t
max
进行插值，得到对应高温强度极限 sh(t
max
)。若t
max
＞1673k，则材料已经失效，令sh＝1mpa。
[0266]
步骤4、对于当前进化的每一个个体，依次进行目标函数、罚因子、罚函数计算，得到适应度。目标函数为线密度，可根据公式计算：
[0267][0268]
其中r1、r2、r3、r4因个体而异，由每个个体包含的厚度g＝[h1,h2,h3,h4]根据下式计算得到：
[0269]
r1＝0.05-h1[0270]
r2＝r
1-h2[0271]
r3＝r
2-h3[0272]
r4＝r
3-h4[0273]
对于当前进化的所有个体，取常数参数λ＝4，根据当前进化代数gen和最大进化代数gen
max
通过公式得到自适应罚因子δ(gen)。
[0274]
对于当前进化的每一个个体，依次计算强度约束、温度约束和空间约束，并得到罚函数p(g)：
[0275][0276][0277][0278]
p(g)＝min(0,p1(g))2 min(0,p2(g))2 min(0,p3(g))2[0279]
根据线密度、罚因子和罚函数，即可得到适应度值：
[0280]
fit(gen,g)＝ρ
l
(g) δ(gen)p(g)
[0281]
步骤5、对于当前进化的整个种群，计算平均适应度
[0282][0283]
取结束优化阈值δα
thres
＝10-4
，将当前进化种群的最小适应度与平均适应度比较，并将当前进化代数与最大进化代数进行比较，若下式之一满足时，则认为优化已经完成，否则，继续步骤6：
[0284][0285]
gen≥140
[0286]
对于本算例，最小适应度随进化下降的过程如图4所示。经优化后给出的热防护方案的防热材料、梯度材料、隔热材料和金属材料厚度分别为0mm，3.44mm，0mm和 1.51mm。其剩余强度系数1.0036，总厚度4.95mm，均满足约束条件。由于不存在隔热层，温度约束条件自动满足。
[0287]
步骤6、对于本例，将交叉概率上限和下限p
max
、p
min
分别设置为80％和20％，交叉概率上限和下限对应百分比r
max
、r
min
分别设置为100％和30％。对于第一代种群，计算δα0：
[0288][0289]
对于第一代种群，交叉概率即为交叉概率上限p
max
＝80％，对于其余各代种群，交叉函数pc：
[0290][0291]
对于本算例，取精英个体比例pe＝5％，得到变异概率pm：
[0292]
pm＝0.95-pc[0293]
对于第一代种群，依据种群个体总数量120和精英个体比例、交叉概率和变异概率，得到保留、交叉和变异个体数量分别为6、96、18个。对于其余各代种群，根据上式确定数量。确定后即依次生成新一代个体，组成下一代种群。
[0294]
由新生成的保留个体、交叉个体、变异个体对应的接触换热系数组成矩阵，即形成新一代种群，重复步骤s2-步骤s5。
[0295]
本发明还公开了一种针对防隔热一体化结构热防护方案的优化系统，包括：
[0296]
模块m1：根据使用环境、备选材料特性和结构空间结构，设定优化输入参数，随机生成包含一定数量个体的初始种群；
[0297]
模块m2：根据个体的特征，建立基于有限体积法的计算模型；
[0298]
模块m3：对于种群内的每一个个体，开展强度计算和热传导计算；
[0299]
模块m4：对于种群内的每一个个体，根据强度计算结果、温度计算结果、前一代种群特征，计算目标函数和罚函数，得到每个个体的适应度；
[0300]
模块m5：对本代种群的全部个体进行适应度评估，若满足退出要求，则完成优化，
将当前进化的种群中适应度最小的个体给出的防热方案作为优化结果，否则进入模块m6；
[0301]
模块m6：根据自适应参数对个体进行保留、交叉和变异，产生新一代种群，随后重复模块m2-s5。
[0302]
所述模块m1包括：
[0303]
对于由n层材料组成的防隔热一体化结构，给定遗传算法的核心参数最大进化次数gen
max
、种群规模pop，备选材料特性最大许用温度t
limit
，优化允许的最大结构厚度h
limit
；
[0304]
随机生成一个包含pop个个体的初始种群，每一个个体g包含一组材料厚度，即：
[0305]
g＝[h1,h2,...,hn]。
[0306]
所述模块m2包括：
[0307]
对于每一个个体g，根据其每一层厚度hi(i＝1,2,...,n)，基于有限体积法离散成一系列单元，并对每个单元进行材料参数赋值，材料参数包括导热系数k，比热容c 和密度ρ；
[0308]
对于金属材料、防热材料和隔热材料，其材料参数不随空间变化，该材料的所有单元均赋相同的材料参数值；
[0309]
对于由防热材料和隔热材料组成的两相功能梯度材料，考虑其成分随空间线性变化的情形，依据下述方法对各单元进行材料参数赋值：
[0310][0311]cgrad
＝(1-v
β
)c
α
v
βcβ
[0312]
ρ
grad
＝(1-v
β
)ρ
α
v
β
ρ
β
[0313]
其中角标grad表示功能梯度材料，角标α和β分别表示组成功能梯度材料的两相，对于本方法，α代表防热材料，β表示隔热材料，v
β
为隔热材料的体积分数；
[0314]
设置的计算模型初始条件为全局初始温度，计算模型边界条件包括热载荷和力载荷，热载荷以第二类边界条件或第三类边界条件的形式输入，力载荷包括结构承受的最大弯矩m和结构外直径d。
[0315]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0316]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。