一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法
【專利摘要】一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法，它有五大步驟:步驟一：定義優(yōu)化問題P1，并提交到優(yōu)化工具準(zhǔn)備進(jìn)行優(yōu)化；步驟二：定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2，提交到優(yōu)化工具，作為優(yōu)化過程中調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)備；步驟三：制定試驗方案表；步驟四：優(yōu)化工具在全局搜索過程P3中根據(jù)試驗方案表依次對表中樣本點方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，整理對比所有樣本點結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供后續(xù)步驟使用；步驟五：優(yōu)化工具以得到的最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志作為初始點進(jìn)行SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計方案。本發(fā)明可以快速地完成導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化設(shè)計，同時本方法理念也可用于其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
【專利說明】一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法，該優(yōu)化方法可以快速地完成導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化設(shè)計，屬于航空航天【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景:
[0002]隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展、戰(zhàn)爭的需求、固體發(fā)動機(jī)的廣泛使用，以及制導(dǎo)設(shè)備逐步小型化的發(fā)展，導(dǎo)彈技術(shù)正向小型化、輕質(zhì)化、高機(jī)動性要求、遠(yuǎn)射程、高精度、強(qiáng)突防、大威力、系統(tǒng)化、多用途、低成本和高可靠等方向發(fā)展。同時為了滿足導(dǎo)彈攜帶設(shè)備的要求，總體設(shè)計時要從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來減輕彈體的質(zhì)量，從而提高導(dǎo)彈性能。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來講，應(yīng)當(dāng)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的前提下盡可能地減少結(jié)構(gòu)材料或選用新型輕質(zhì)材料來實現(xiàn)彈體質(zhì)量的減少。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003]1.目的:本發(fā)明的目的是為了提供一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法，它可以快速地完成導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化設(shè)計，同時本方法理念也可用于其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
[0004]2.技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法。主要包括以下幾個步驟:
[0006]步驟一:定義優(yōu)化問題P1，并提交到優(yōu)化工具準(zhǔn)備進(jìn)行優(yōu)化。
[0007]其中，優(yōu)化問題Pl的定義主要包括對以下三個模塊的定義:設(shè)計變量PU，優(yōu)化目標(biāo)P12和約束條件義P13。它們之間的相互關(guān)系是:`設(shè)計變量PlI，優(yōu)化目標(biāo)P12和約束條件P13是并列的。
[0008]設(shè)計變量Pll是指復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計過程中的各個設(shè)計變量，主要包括導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的各部分尺寸及相對位置，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
[0009]X=U11X2WXj;
[0010]其中，X為設(shè)計變量組，由若干個變量組成:Xi (i=l…η)的具體物理含義根據(jù)不同的導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計任務(wù)而不同，例如=X1為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓個數(shù)，整型變量；χ2為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓的直徑，整型變量，單位為mm ；x3為導(dǎo)彈艙段薄壁區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm而為艙段連接區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm。具體使用時設(shè)計變量不限于以上幾種形式。
[0011]優(yōu)化目標(biāo)P12是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)，也就是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量最小，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下:
[0012]Min(W);
[0013]W為導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，單位為kg。如果推廣到其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計也可做不同定義，例如導(dǎo)彈的射程最遠(yuǎn)等。
[0014]約束條件P13是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的約束條件，分別從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的角度出發(fā)，強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)材料的性能，剛度滿足艙段不發(fā)生脫節(jié)。分別以結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力，艙段間沿軸向的錯位位移小于特定值作為約束。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
[0015]S=(s^..sm, dis^..disk)[0016]其中，S為約束條件，由2部分組成:iV..sm為強(qiáng)度約束，分別對應(yīng)導(dǎo)彈各個部分的最大應(yīng)力小于該部分對應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力；diiv"diSk為剛度約束，對應(yīng)不同艙段間在連接處沿軸向發(fā)生的錯位小于特定值。各約束具體取值與結(jié)構(gòu)材料和承載情況有關(guān)。
[0017]步驟二:定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2，提交到優(yōu)化工具，作為優(yōu)化過程中調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)備。
[0018]定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2是對設(shè)計對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析和提取分析結(jié)果中優(yōu)化所需的信息，主要包括對以下6個部分的定義:幾何外形P21，外載條件P22，結(jié)構(gòu)材料P23，單元屬性P24，分析求解P25，結(jié)果處理P26。它們之間的相互關(guān)系是彼此并列的。
[0019]幾何外形P21主要實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)外形的仿真，建立導(dǎo)彈幾何結(jié)構(gòu)模型。主要包括:導(dǎo)彈各部分的具體尺寸及彼此間的相對位置。例如:導(dǎo)彈艙段的外徑，單位為m，取值范圍
0.6m~1.4m ;導(dǎo)彈艙段的長度單位為m，取值范圍0.4m~1.2m ;為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓個數(shù)，整型變量；導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓的直徑為x2，整型變量，單位為mm ；導(dǎo)彈艙段薄壁區(qū)域的厚度為X3，浮點型變量，單位為mm ;艙段連接區(qū)域的厚度為X4，浮點型變量，單位為_。從示例中我們可以看出以上仿真建模過程中會涉及部分尺寸為設(shè)計變量，故我們將建模過程中設(shè)計變量以如下形式定義:
[0020]X1= [X1]，X2= [x2]，X3= [x3]，X4= [x4]…
[0021]新的設(shè)計方案會將各變量新的數(shù)值賦值于[*]，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何模型的自動化更改過程。
[0022]外載條件P22主要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承受載荷的定義。主要包括:位移限制和載荷施加。位移限制導(dǎo)彈的固定方式；載荷施加主要包括導(dǎo)彈承受的軸向拉壓，徑向剪切，垂直于軸向的彎矩以及其他形式的載荷。根據(jù)要優(yōu)化導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷數(shù)值的設(shè)定。
[0023]結(jié)構(gòu)材料P23主要實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)材料屬性的定義。主要包括艙段各部分的材料定義。其中材料定義是指定結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，泊松比，密度等參數(shù)。例如:艙段可以選用同種材料，也可選用不同種材料，可選材料有鋁合金，鎂合金以及復(fù)合材料等；連接螺栓可選用45號鋼或其他合金鋼。
[0024]單元屬性P24主要實現(xiàn)對仿真結(jié)構(gòu)模型單元的定義。主要包括結(jié)構(gòu)仿真模型各部分的單元定義。例如:艙段薄壁區(qū)域可選用殼單元，連接區(qū)域可選用體單元，連接螺栓可選用體單元，并將所有體單元定義為接觸體，考慮彼此間接觸作用。
[0025]分析求解P25主要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在定義環(huán)境下響應(yīng)的求解。我們選用求解器對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性接觸分析。其中，求解器選用現(xiàn)有成熟軟件。
[0026]結(jié)果處理P26主要實現(xiàn)對分析結(jié)果進(jìn)行處理，選取優(yōu)化過程中關(guān)心的響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)分析完畢后，求解器會輸出結(jié)構(gòu)每個單元的質(zhì)量信息，應(yīng)力信息與位移信息等信息，從中組合得到結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，結(jié)構(gòu)各部分最大應(yīng)力，各艙段間在連接處沿軸向發(fā)生的錯位位移。具體數(shù)學(xué)表達(dá)如下:
[0027]W= Σ Wi;
[0028]s^max (S1I)...sm=max (smi);[0029]dis^max (Clis21-Clis1I)…disk=max (disk+1i_diski)
[0030]其中，Wi為結(jié)構(gòu)各單元質(zhì)量，S11-SfflI分別為艙段各部分每個單元的應(yīng)力值，(Iis1I, dis2i, diski, disk+1i分別為相連接的艙段位于通孔中心線上的單元的位移信息。
[0031]步驟三:制定試驗方案表。
[0032]試驗方案表是根據(jù)拉丁超立方試驗設(shè)計方法針對η個設(shè)計變量在取值范圍內(nèi)制定的，實現(xiàn)對全局區(qū)域的樣本點均布。樣本點的個數(shù)一般為η~η3，樣本點越多，優(yōu)化效果越好，但相應(yīng)的計算效率也會越低。其中，拉丁超立方試驗設(shè)計是一種快速高效的試驗設(shè)計方法，是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)科中的一門成熟技術(shù)。
[0033]步驟四:優(yōu)化工具在全局搜索過程Ρ3中根據(jù)試驗方案表依次對表中樣本點方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，整理對比所有樣本點結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供后續(xù)步驟使用。
[0034]全局搜索過程Ρ3以試驗方案表為參考,將每個樣本點方案使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法Ρ2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；依次執(zhí)行每一個樣本點，完成所有樣本點的結(jié)構(gòu)分析并存儲結(jié)果，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供局部鎖定過程Ρ4使用。。
[0035]步驟五:優(yōu)化工具以得到的最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志作為初始點進(jìn)行SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計方案。
[0036]其中，SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法是一種針對非線性問題的數(shù)學(xué)求解方法。首先將最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法Ρ2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；優(yōu)化工具根據(jù)SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法對反饋進(jìn)行分析給出新一組設(shè)計方案，再次使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法Ρ2處理，處理結(jié)束后再將相應(yīng)方案反饋返回；重復(fù)以上過程，直到該過程滿足收斂條件，則優(yōu)化系統(tǒng)完成工作，確定最終一組設(shè)計方案為最優(yōu)設(shè)計方案。其中，收斂條件是指兩組設(shè)計`方案的目標(biāo)值差異在精度范圍內(nèi)，精度一般選用
0.1%~10%，精度越高，優(yōu)化效果越好，但相應(yīng)地會延長系統(tǒng)工作時間。
[0037]優(yōu)點及功效:本發(fā)明一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法，其優(yōu)點是:
[0038]一、可以高效、快速地實現(xiàn)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；
[0039]二、各模塊之間在軟件結(jié)構(gòu)上相互獨立，具有較強(qiáng)的靈活性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1本發(fā)明導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的分步結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2本發(fā)明實施例導(dǎo)彈艙段徑向連接結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計對象的示意圖。
[0042]圖3本發(fā)明所涉及的方法流程圖。
[0043]圖4本發(fā)明所涉及的軟件流程圖。
[0044]圖中具體標(biāo)號說明如下:
[0045]I—艙段連接框A2—螺栓
[0046]3—艙段連接框B4—托板螺母
[0047]Pl——優(yōu)化問題；Ρ2——結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法；
[0048]Ρ3—全局搜索過程；Ρ4—局部鎖定過程。【具體實施方式】
[0049]圖1為本發(fā)明導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的分步結(jié)構(gòu)示意圖。
[0050]圖2為本發(fā)明實施例導(dǎo)彈艙段徑向連接結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計對象的示意圖。
[0051]本發(fā)明一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法。它包括以下幾個步驟:
[0052]步驟一:定義優(yōu)化問題P1，并提交到優(yōu)化工具準(zhǔn)備進(jìn)行優(yōu)化。
[0053]其中，優(yōu)化問題Pl的定義主要包括對以下三個模塊的定義:設(shè)計變量P11，優(yōu)化目標(biāo)P12和約束條件義P13。它們之間的相互關(guān)系是:設(shè)計變量PlI，優(yōu)化目標(biāo)P12和約束條件P13是并列的。
[0054]設(shè)計變量Pll是指復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計過程中的各個設(shè)計變量，主要包括導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的各部分尺寸及相對位置，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
[0055]X-1x1, X2, X3，X4，x5) x6) x7) x8) X9^ ,
[0056]其中，X為設(shè)計變量組，由9個變量組成=X1為螺栓個數(shù)，整型變量，取值范圍為8~50個；x2為螺栓2直徑，整型變量，單位為mm，，取值域為{5，6，8}，由螺栓2直徑可確定選用的螺栓規(guī)格，即可確定螺栓的各個具體尺寸；x3為艙段連接框A1、B3薄壁區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm，取值范圍為2~4 ;x4為艙段連接框Al連接區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm，取值范圍為6~11 ;x5為艙段連接框B3連接區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm，取值范圍為6~ 11 ;x6為艙段連接框Al連接區(qū)域的寬度，浮點型變量，單位為mm，取值范圍為70~120 ;x7為艙段連接框Al階梯過渡段寬度，浮點型變量，單位為mm，取值范圍為5~15 ；x8為艙段連接框B3局部加厚區(qū)域的寬度，浮點型變量，單位為mm，取值范圍為70~120 ；x9為艙段連接框B3端面到螺栓孔中心線的軸向距離，浮點型變量，單位為mm，取值范圍為35~60。
[0057]優(yōu)化目標(biāo)P12是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)，也就是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量最小，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下:
[0058]Min (W);
[0059]W為導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，單位為kg。
[0060]約束條件P13是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的約束條件，分別從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的角度出發(fā)，強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)材料的性能，剛度滿足艙段不發(fā)生脫節(jié)。分別以結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力，艙段間沿軸向的錯位位移小于特定值作為約束。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
[0061]S=(s^..sm, dis^..disk)
[0062]其中，S為約束條件，由2部分組成:sl，s2, s3為強(qiáng)度約束，分別對應(yīng)艙段連接框Al、艙段連接框B3、螺栓2的最大應(yīng)力小于對應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力，艙段連接框A1、B2均使用編號2219的鋁合金材料，對應(yīng)許用應(yīng)力為390MPa，螺栓選用30CrMnSiA合金鋼，對應(yīng)許用應(yīng)力為1080MPa ；diSl為剛度約束，對應(yīng)艙段連接框Al和艙段連接框B3在連接處沿軸向發(fā)生的錯位小于1mm。
[0063]步驟二:定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2，提交到優(yōu)化工具，作為優(yōu)化過程中調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)備。
[0064]定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2是對設(shè)計對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析和提取分析結(jié)果中優(yōu)化所需的信息，主要包括對以下6個部分的定義:幾何外形P21，外載條件P22，結(jié)構(gòu)材料P23，單元屬性P24，分析求解P25，結(jié)果處理P26。它們之間的相互關(guān)系是彼此并列的。
[0065]幾何外形P21主要實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)外形的仿真，建立導(dǎo)彈幾何結(jié)構(gòu)模型。主要包括:艙段連接框Al的具體尺寸、艙段連接框B3的具體尺寸、螺栓2的具體尺寸、托板螺母4的具體尺寸及彼此間的相對位置。其中，艙段連接框Al、艙段連接框B3的外徑為0.6m，長度為0.4m，分為薄壁區(qū)域和連接區(qū)域，連接區(qū)域的厚度為x3，寬度為總長與薄壁區(qū)域的差，艙段連接框Al連接區(qū)域的厚度為x4，寬度為x6，與薄壁部分階梯過渡段寬度為x7，艙段連接框B3連接區(qū)域的厚度為x5，寬度為x8，螺栓2位于距離艙段連接框B3端面X9的位置上，螺栓2個數(shù)為X1，螺栓2直徑為X2，根據(jù)螺栓2直徑選定相應(yīng)規(guī)格的螺栓2和托板螺母4，確定螺栓2和托板螺母4的細(xì)節(jié)尺寸。以上仿真建模過程中部分尺寸為設(shè)計變量，故我們將建模過程中設(shè)計變量以如下形式定義:
[0066]Xf [Xi]，^2— [乂2]，^3- [X3]，Xf [X4]，^5- [X5]，^6— [乂6]，^-7~ [X7]，^8-，^9-.[0067]新的設(shè)計方案會將各變量新的數(shù)值賦值于[*]，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何模型的自動化更改過程。
[0068]外載條件P22主要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承受載荷的定義。主要包括:位移限制和載荷施加。位移限制是將艙段連接框A薄壁區(qū)域遠(yuǎn)端固定；載荷施加主要包括軸向的拉壓，徑向的剪切，垂直于軸向的彎矩以及其他形式的載荷。在艙段連接框B3遠(yuǎn)端中心施加大小為30kN的軸向拉力，大小為60kN的徑向剪切及與剪切力共面的120kN.m彎矩。
[0069]結(jié)構(gòu)材料P23主要實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)材料屬性的定義。主要包括艙段連接框Al的材料定義、艙段連接框B3的材料定義、螺栓2的材料定義、托板螺母4的材料定義。其中材料定義是指定結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，泊松比，密度等參數(shù)。艙段連接框Al、B3選用編號為2219的鋁合金，彈性模量為71GPa，泊松比為0.3，密度為2.84g/cm3 ;螺栓2和托板螺母選用30CrMnSiA高強(qiáng)度合金鋼，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7.93g/cm3。
[0070]單元屬性P24主要實現(xiàn)對仿真結(jié)構(gòu)模型單元的定義。主要包括艙段連接框A的單元定義、艙段連接框B的單元定義、螺栓的單元定義、托板螺母的單元定義。艙段連接框A、B薄壁區(qū)域選用四節(jié)點殼單元，連接區(qū)域`選用四節(jié)點體單元，螺栓和托板螺母選用六面體單元，并將所有體單元定義為接觸體，考慮彼此間接觸作用。
[0071]分析求解P25主要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在定義環(huán)境下響應(yīng)的求解。我們選用求解器對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性接觸分析。其中，求解器選用現(xiàn)有成熟軟件。
[0072]結(jié)果處理P26主要實現(xiàn)對分析結(jié)果進(jìn)行處理，選取優(yōu)化過程中關(guān)心的響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)分析完畢后，求解器會輸出結(jié)構(gòu)每個單元的質(zhì)量信息，應(yīng)力信息與位移信息等信息，從中組合得到結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，結(jié)構(gòu)各部分最大應(yīng)力，兩個艙段連接框在連接處沿軸向發(fā)生的錯位位移。具體數(shù)學(xué)表達(dá)如下:
[0073]W= Σ Wi;
[0074]S1=Hiax (sji), s2=max (s2i), s3=max (s3i);
[0075]dis^max (Clis21-Clis1I)
[0076]其中，Wi為結(jié)構(gòu)各單元質(zhì)量，Sli, s2i，S3,分別為艙段連接框Al、艙段連接框B3、螺栓2和托板螺母4每個單元的應(yīng)力值，Clisli, Clidi分別為位于艙段連接框A、艙段連接框B通孔中心線上的單元的位移信息。
[0077]步驟三:制定試驗方案表。[0078]試驗方案表是根據(jù)拉丁超立方試驗設(shè)計方法針對9個設(shè)計變量在取值范圍內(nèi)制定的，實現(xiàn)對全局區(qū)域的樣本點均布。樣本點的個數(shù)108。其中，拉丁超立方試驗設(shè)計是一種快速高效的試驗設(shè)計方法，是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)科中的一門成熟技術(shù)。
[0079]步驟四:優(yōu)化工具在全局搜索過程P3中根據(jù)試驗方案表依次對表中樣本點方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，整理對比所有樣本點結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供后續(xù)步驟使用。
[0080]全局搜索過程P3以試驗方案表為參考,將每個樣本點方案使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；依次執(zhí)行每一個樣本點，完成所有樣本點的結(jié)構(gòu)分析并存儲結(jié)果，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供局部鎖定過程P4使用。。
[0081]步驟五:優(yōu)化工具以得到的最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志作為初始點進(jìn)行SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計方案。
[0082]其中，SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法是一種針對非線性問題的數(shù)學(xué)求解方法。首先將最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；優(yōu)化工具根據(jù)SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法對反饋進(jìn)行分析給出新一組設(shè)計方案，再次使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2處理，處理結(jié)束后再將相應(yīng)方案反饋返回；重復(fù)以上過程，直到該過程滿足收斂條件，則優(yōu)化系統(tǒng)完成工作，確定最終一組設(shè)計方案為最優(yōu)設(shè)計方案。其中，收斂條件是指兩組設(shè)計方案的目標(biāo)值差異在精度范圍內(nèi)，精度一般選用5%。
[0083]參見圖3，為本發(fā)明所涉及的方法流程圖:
[0084]步驟一:定義優(yōu)化問題Pl，并提交到優(yōu)化工具準(zhǔn)備進(jìn)行優(yōu)化；
[0085]步驟二:定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2，提交到優(yōu)化工具，作為優(yōu)化過程中調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)備；
[0086]步驟三:制定試驗方案表；
[0087]步驟四:優(yōu)化工具在全局搜索過程P3中根據(jù)試驗方案表依次對表中樣本點方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，整理對比所有樣本點結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供后續(xù)步驟使用；
[0088]步驟五:優(yōu)化工具以得到的最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志作為初始點進(jìn)行SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計方案。
[0089]參見圖4，為本發(fā)明所涉及的軟件流程圖:
[0090]1.根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化對象——導(dǎo)彈艙段徑向連接結(jié)構(gòu)定義優(yōu)化問題。
[0091]2.優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)拉丁超立方試驗設(shè)計制定試驗方案表。
[0092]3.對于每一個樣本點方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
[0093]4.每一次結(jié)構(gòu)分析后判斷試驗方案是否完成，如已完成，則提取可行域內(nèi)目標(biāo)值最小的樣本點方案，作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，否則執(zhí)行下一組設(shè)計方案。
[0094]5.在最優(yōu)局部區(qū)域中使用SQP序列二次規(guī)劃法梯度優(yōu)化算法，對最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)梯度信息來確定新的設(shè)計方案。
[0095]6.對新的設(shè)計方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后對比前后兩次結(jié)果響應(yīng)，如滿足收斂條件則SQP優(yōu)化結(jié)束，否則給出新的設(shè)計方案，重復(fù)以上過程直到滿足收斂條件。
[0096]7.以收斂時的設(shè)計方案作為最優(yōu)設(shè)計方案，導(dǎo)彈艙段徑向連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)工作結(jié)束。
[0097]綜上所述，本發(fā)明包括以下五個步驟:定義優(yōu)化問題P1，并提交到優(yōu)化工具準(zhǔn)備進(jìn)行優(yōu)化；定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2，提交到優(yōu)化工具，作為優(yōu)化過程中調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)備；制定試驗方案表；優(yōu)化工具在全局搜索過程P3中根據(jù)試驗方案表依次對表中樣本點方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，整理對比所有樣本點結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供后續(xù)步驟使用；優(yōu)化工具以得到的最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志作為初始點進(jìn)行SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計方案。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:它包括以下幾個步驟: 步驟一:定義優(yōu)化問題Pi，并提交到優(yōu)化工具準(zhǔn)備進(jìn)行優(yōu)化； 其中，優(yōu)化問題Pl的定義包括對以下三個模塊的定義:設(shè)計變量P11，優(yōu)化目標(biāo)P12和約束條件義P13，它們之間是相互并列的關(guān)系； 設(shè)計變量PlI是指復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計過程中的各個設(shè)計變量，主要包括導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的各部分尺寸及相對位置，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
X= {Xi, X2, X3…xJ ; 其中，X為設(shè)計變量組，由復(fù)數(shù)個變量組成:Xi (i=l…η)的具體物理含義根據(jù)不同的導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計任務(wù)而不同，例如=X1為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓個數(shù)，整型變量；X2為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓的直徑，整型變量，單位為mm ；x3為導(dǎo)彈艙段薄壁區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm ；x4為艙段連接區(qū)域的厚度，浮點型變量，單位為mm ;具體使用時設(shè)計變量不限于以上幾種形式； 優(yōu)化目標(biāo)P12是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)，也就是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量最小，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下:
Min (W); W為導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，單位為kg，如果推廣到其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計做不同定義，例如導(dǎo)彈的射程最遠(yuǎn)； 約束條件P13是復(fù)雜導(dǎo)彈結(jié)`構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的約束條件，分別從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的角度出發(fā)，強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)材料的性能，剛度滿足艙段不發(fā)生脫節(jié)；分別以結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力，艙段間沿軸向的錯位位移小于特定值作為約束；數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
S=^...Sm, (Iis1...disk) 其中，S為約束條件，由兩部分組成:iV..sm為強(qiáng)度約束，分別對應(yīng)導(dǎo)彈各個部分的最大應(yīng)力小于該部分對應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力；diSl-diSk為剛度約束，對應(yīng)不同艙段間在連接處沿軸向發(fā)生的錯位小于特定值；各約束具體取值與結(jié)構(gòu)材料和承載情況有關(guān)； 步驟二:定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2，提交到優(yōu)化工具，作為優(yōu)化過程中調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)備； 定義結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法P2是對設(shè)計對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析和提取分析結(jié)果中優(yōu)化所需的信息，包括對以下6個部分的定義:幾何外形P21，外載條件P22，結(jié)構(gòu)材料P23，單元屬性P24，分析求解P25，結(jié)果處理P26 ;它們之間的相互關(guān)系是彼此并列的； 幾何外形P21實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)外形的仿真，建立導(dǎo)彈幾何結(jié)構(gòu)模型；包括:導(dǎo)彈各部分的具體尺寸及彼此間的相對位置；例如:導(dǎo)彈艙段的外徑，單位為m，取值范圍0.6m~1.4m ;導(dǎo)彈艙段的長度單位為m，取值范圍0.4m~1.2m ;為導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓個數(shù)，整型變量；導(dǎo)彈艙段連接部分的連接螺栓的直徑為X2，整型變量，單位為mm ;導(dǎo)彈艙段薄壁區(qū)域的厚度為x3，浮點型變量，單位為mm ;艙段連接區(qū)域的厚度為x4，浮點型變量，單位為mm ;從示例中看出以上仿真建模過程中會涉及部分尺寸為設(shè)計變量，故將建模過程中設(shè)計變量以如下形式定義:
X1- [X1]，X2— [X2]，^3- [X3]，Xf [X4]...新的設(shè)計方案會將各變量新的數(shù)值賦值于[*]，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何模型的自動化更改過程；外載條件P22實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承受載荷的定義，包括:位移限制和載荷施加；位移限制導(dǎo)彈的固定方式；載荷施加包括導(dǎo)彈承受的軸向拉壓，徑向剪切，垂直于軸向的彎矩以及其他形式的載荷；根據(jù)要優(yōu)化導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷數(shù)值的設(shè)定； 結(jié)構(gòu)材料P23實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)材料屬性的定義，包括艙段各部分的材料定義；其中材料定義是指定結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，泊松比，密度參數(shù)；例如:艙段選用同種或不同種材料，材料有鋁合金，鎂合金以及復(fù)合材料；連接螺栓選用45號鋼或其他合金鋼； 單元屬性P24實現(xiàn)對仿真結(jié)構(gòu)模型單元的定義，包括結(jié)構(gòu)仿真模型各部分的單元定義；例如:艙段薄壁區(qū)域選用殼單元，連接區(qū)域選用體單元，連接螺栓選用體單元，并將所有體單元定義為接觸體，考慮彼此間接觸作用； 分析求解P25實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在定義環(huán)境下響應(yīng)的求解；選用求解器對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性接觸分析，其中，求解器選用現(xiàn)有成熟軟件； 結(jié)果處理P26實現(xiàn)對分析結(jié)果進(jìn)行處理，選取優(yōu)化過程中關(guān)心的響應(yīng)；在結(jié)構(gòu)分析完畢后，求解器會輸出結(jié)構(gòu)每個單元的質(zhì)量信息，應(yīng)力信息與位移信息，從中組合得到結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，結(jié)構(gòu)各部分最大應(yīng)力，各艙段間在連接處沿軸向發(fā)生的錯位位移；具體數(shù)學(xué)表達(dá)如下:
W= Σ Wi ；
S1=Hiax (sji)…sm=max (smi);
dis^max (disa1-disji)…disk=max (disk+1i_diski) 其中，Wi為結(jié)構(gòu)各單元質(zhì)量，S11-SfflI分別為艙段各部分每個單元的應(yīng)力值，(Iis1I, dis2i, diski, disk+1i分別為相連接的艙段位于通孔中心線上的單元的位移信息；步驟三:制定試驗方案表` 試驗方案表是根據(jù)拉丁超立方試驗設(shè)計方法針對η個設(shè)計變量在取值范圍內(nèi)制定的，實現(xiàn)對全局區(qū)域的樣本點均布；樣本點的個數(shù)一般為η~η3，樣本點越多，優(yōu)化效果越好，但相應(yīng)的計算效率也會越低；其中，拉丁超立方試驗設(shè)計是一種快速高效的試驗設(shè)計方法，是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)科中的一門成熟技術(shù)； 步驟四:優(yōu)化工具在全局搜索過程Ρ3中根據(jù)試驗方案表依次對表中樣本點方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，整理對比所有樣本點結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供后續(xù)步驟使用； 全局搜索過程Ρ3以試驗方案表為參考，將每個樣本點方案使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法Ρ2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；依次執(zhí)行每一個樣本點,完成所有樣本點的結(jié)構(gòu)分析并存儲結(jié)果，選擇可行域內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的樣本點方案作為最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志，存儲供局部鎖定過程Ρ4使用； 步驟五:優(yōu)化工具以得到的最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志作為初始點進(jìn)行SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計方案； 其中，SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法是一種針對非線性問題的數(shù)學(xué)求解方法，首先將最優(yōu)局部區(qū)域標(biāo)志使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法Ρ2處理，處理結(jié)束后將相應(yīng)方案反饋返回；優(yōu)化工具根據(jù)SQP序列二次規(guī)劃梯度優(yōu)化算法對反饋進(jìn)行分析給出新一組設(shè)計方案，再次使用結(jié)構(gòu)建模仿真分析方法Ρ2處理，處理結(jié)束后再將相應(yīng)方案反饋返回；重復(fù)以上過程，直到該過程滿足收斂條件，則優(yōu)化系統(tǒng)完成工作，確定最終一組設(shè)計方案為最優(yōu)設(shè)計方案；其中，收斂條件是指兩組設(shè)計方案的目標(biāo)值差異在精度范圍內(nèi)，精度一般選用0.1%~10%，精度越高，優(yōu)化效果越好， 但相應(yīng)地會延長系統(tǒng)工作時間。
【文檔編號】G06F17/50GK103823923SQ201410015454
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】王曉慧, 樊思思 申請人:北京航空航天大學(xué)