一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其步驟如下：(1)選取導(dǎo)熱系數(shù)、密度及比熱容作為不確定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各不確定參數(shù)的區(qū)間表達(dá)；(2)提取各層厚度和不確定參數(shù)為特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全參數(shù)化建模、分析及求解；(3)考慮不確定參數(shù)相關(guān)性，提出相關(guān)性因子隨機(jī)抽樣方法，選取試驗(yàn)樣本；(4)根據(jù)樣本構(gòu)建近似模型，分析不確定參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響并優(yōu)選，建立多層結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)不確定性分析方法；(5)分別以各層厚度、各層溫度小于許用值、質(zhì)量最小化為設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明專利技術(shù)通過高效不確定性分析和優(yōu)化，提升了熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)效率。

A non probabilistic uncertainty analysis and optimization design method for multilayer thermal protection system based on experimental design

The invention discloses a multilayer thermal protection system design based on non probabilistic uncertainty analysis and optimization design method, the steps are as follows: (1) selection of thermal conductivity, density and heat capacity as uncertain parameters, realize the interval uncertain parameters expression; (2) extracting the thickness of each layer and uncertain parameters to achieve full feature parameters, parametric modeling, analysis and solution; (3) considering the uncertain parameter correlation, correlation factor of random sampling method, selection of test samples; (4) according to the sample analysis of the approximation model, the uncertain parameters on the response and optimization, the establishment of the temperature field of multilayer structure uncertainty analysis method (5) respectively; the thickness of each layer, each layer temperature is less than the allowable value, the quality is minimized as the design variables, constraints and objective function of the optimization model is constructed, the multi-layer thermal protection system Unified non probabilistic optimization design. The invention improves the structural efficiency of the thermal protection system through efficient uncertainty analysis and optimization.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
本專利技術(shù)涉及多層熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
高超聲速飛行器因其飛行速度快、反應(yīng)時(shí)間短、作戰(zhàn)半徑大、隱蔽性好、突防能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在未來戰(zhàn)爭(zhēng)空、天主戰(zhàn)場(chǎng)中地位卓然，已成為當(dāng)今世界大國軍備競(jìng)賽中爭(zhēng)相搶占的制高點(diǎn)。高超聲速飛行器長期服役于以氣動(dòng)熱、力為主導(dǎo)的多場(chǎng)耦合極端環(huán)境下，熱防護(hù)技術(shù)已成為直接制約其發(fā)展的瓶頸。為保證飛行員安全和機(jī)載設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需在飛行器表面大面積鋪設(shè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，加之飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)重量的敏感性，熱防護(hù)系統(tǒng)從誕生之日就面臨急迫的安全性問題和結(jié)構(gòu)減重問題。因此，基于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)開展低成本、高可靠性、高防隔熱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究對(duì)于高性能高超聲速飛行器研制意義重大。高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)多呈現(xiàn)典型的多層結(jié)構(gòu)，即多層熱防護(hù)系統(tǒng)。多層熱防護(hù)系統(tǒng)的熱分析涉及嚴(yán)酷氣動(dòng)熱載、多層結(jié)構(gòu)與多傳熱方式耦合下的復(fù)雜傳熱機(jī)理。飛行器服役過程中，首選是結(jié)構(gòu)受到的氣動(dòng)熱載荷表現(xiàn)為隨時(shí)間高度非線性變化；其次，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流三種傳熱機(jī)制同時(shí)存在，三者相互影響、相互耦合在一起，呈現(xiàn)復(fù)合傳熱特點(diǎn)；最后，就熱防護(hù)結(jié)構(gòu)自身而言，材料性能與結(jié)構(gòu)功能在層與層之間相互影響，加之各層材料的熱物性，包括導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等，隨著壓力和溫度的變化呈非線性變化，上述種種均導(dǎo)致溫度場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理復(fù)雜難辨。因此為實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)系統(tǒng)高防隔熱性能，必須深入研究多層熱防護(hù)系統(tǒng)的傳熱機(jī)理。傳統(tǒng)多層熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化將不確定性的影響統(tǒng)一納入經(jīng)驗(yàn)性的安全系數(shù)而不進(jìn)行深入考究，往往造成某些層冗余某些層失效、有悖于低成本與高安全可靠性要求的設(shè)計(jì)；特別是在嚴(yán)酷氣動(dòng)熱強(qiáng)作用下忽略材料熱物性參數(shù)的不確定性將直接影響結(jié)構(gòu)防隔熱性能，進(jìn)而對(duì)飛行器的安全服役產(chǎn)生顛覆性影響。因此，為提高飛行器服役安全可靠性并降低成本，需要對(duì)多層熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行考慮不確定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是，各層結(jié)構(gòu)傳熱與儲(chǔ)熱效率不同且各層之間相互耦合，各材料熱物性參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)響應(yīng)的影響難以辨明，使得多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)不確定性分析更加困難。因此，深入研究各類不確定性因素的影響，發(fā)展高精度不確定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，健全綜合考慮各類不確定性的精細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系成為未來低成本、高可靠性熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以在保證多層熱防護(hù)系統(tǒng)在防隔熱性能安全可靠的前提下，有效降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升了熱防護(hù)系統(tǒng)的使用性能。本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟：步驟(1)、根據(jù)熱防護(hù)系統(tǒng)真實(shí)服役環(huán)境決定的性能與構(gòu)型需求，多層熱防護(hù)系統(tǒng)由n層不同功能的不同材料結(jié)構(gòu)組成；考慮到材料導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容等熱物性參數(shù)均會(huì)隨溫度變化，各熱物性參數(shù)隨溫度變化的材料屬性曲線需通過一系列特定溫度對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)值插值擬合得到，記各層導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容分別為kij，ρij和cij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，其中，i和j為變量編號(hào)，n為多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)總層數(shù)，m為選取特定溫度的數(shù)量，導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容對(duì)應(yīng)的特定溫度分別記為和步驟(2)、考慮各層材料熱物性參數(shù)由于材料分散性、測(cè)量誤差等導(dǎo)致的各種不確定性，選取步驟(1)中kij、ρij和cij作為不確定參數(shù)；根據(jù)工程試驗(yàn)獲得各不確定參數(shù)分布規(guī)律，得到各不確定參數(shù)的分布范圍，并用區(qū)間形式量化為kij∈[kij_min,kij_max]，ρij∈[ρij_min,ρij_max]和cij∈[cij_min,cij_max]，其中kij_min，ρij_min和cij_min分別為各參數(shù)分布范圍最小值，kij_max，ρij_max和cij_max分別為各參數(shù)分布范圍最大值；步驟(3)、選取步驟(1)中的各層厚度作為設(shè)計(jì)變量，記為X，X＝(x1,x2,…,xn)，n為步驟(1)中所涉及的多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)層數(shù)；各厚度被限定在給定范圍內(nèi)，即xi∈[xi_min,xi_max]，i＝1,2,…,n，其中xi_min為給定xi范圍的最小值，xi_max為給定xi范圍的最大值，一般依靠工程經(jīng)驗(yàn)以及工程造價(jià)條件給定；步驟(4)、在幾何建模過程中，提取各設(shè)計(jì)變量作為控制三維幾何模型的設(shè)計(jì)特征參數(shù)，當(dāng)各設(shè)計(jì)變量在各自給定范圍內(nèi)任意改變時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)幾何自動(dòng)建模，從而完成基于所選設(shè)計(jì)變量的幾何參數(shù)化建模；步驟(5)、在幾何模型的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件的二次開發(fā)功能，提取各不確定參數(shù)作為控制有限元模型材料熱物性屬性的不確定性特征參數(shù)，當(dāng)各不確定參數(shù)在各自分布范圍內(nèi)任意改變時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)有限元模型材料熱物性屬性的自動(dòng)賦值，從而建立基于設(shè)計(jì)特征參數(shù)和不確定性特征參數(shù)的多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型；步驟(6)、基于再入過程彈道數(shù)據(jù)，采用輻射、對(duì)流及傳導(dǎo)多種傳熱方式復(fù)合的傳熱分析方法，考慮氣動(dòng)熱與結(jié)構(gòu)傳熱之間的相互影響，實(shí)現(xiàn)全彈道過程的多層熱防護(hù)系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析求解，得到多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各層界面隨時(shí)間變化的溫度歷程Ts(t)，提取各層界面處的最高溫度作為響應(yīng)輸出，記為s＝0,1,…,n，其中s從0增至n指多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)從外表面至內(nèi)表面所有層的界面；步驟(7)、考慮確定性條件下各熱物性參數(shù)所呈現(xiàn)的隨溫度變化的規(guī)律作為抽樣約束，通過數(shù)據(jù)分析處理軟件編制抽樣算法，相較于傳統(tǒng)完全隨機(jī)抽樣方法，實(shí)現(xiàn)考慮約束條件的隨機(jī)抽樣過程，是為相關(guān)性因子隨機(jī)抽樣方法；基于此方法，從步驟(2)各不確定參數(shù)kij，ρij和cij的分布區(qū)間中，選取出一組考慮因子相關(guān)性的隨機(jī)組合的樣本點(diǎn)，記為P，P＝(p1,p2,…,pu,…pr)，pu＝(k11,k12,…,kij,…,knm,ρ11,ρ12,…,ρij,…,ρnm,c11,c12,…,cij,…,cnm)u，其中r為樣本點(diǎn)總數(shù)，pu代指某一個(gè)樣本點(diǎn)，kij，ρij和cij組成樣本點(diǎn)中的因子，(·)u為某樣本點(diǎn)因子的具體水平；步驟(8)、提取步驟(7)中P的樣本點(diǎn)pu，u＝1,…,r作為步驟(5)中的不確定性特征參數(shù)，重復(fù)執(zhí)行步驟(4)至(6)r次，得到熱防護(hù)系統(tǒng)各層界面的一組離散的最高溫度響應(yīng)，記為根據(jù)響應(yīng)面方法，擬合樣本集合P與響應(yīng)集合繼而構(gòu)建了描述P中各因子kij，ρij和cij與關(guān)系的近似函數(shù)模型步驟(9)、通過步驟(8)中近似模型分析出各因子kij、ρij和cij與多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各層界面最高溫度響應(yīng)輸出之間的關(guān)系和趨勢(shì)；考慮計(jì)算成本與精度，將步驟(2)中的分布區(qū)間[kij_min,kij_max]，[ρij_min,ρij_max]和[cij_min,cij_max]均歸一化到相同范圍，比較分析kij，ρij和cij對(duì)各響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度，辨識(shí)優(yōu)先出關(guān)鍵參數(shù)；結(jié)合分析得的kij，ρij和cij與之間的關(guān)系，得到靈敏度分析后的不確定性響應(yīng)分布區(qū)間，即其中和分別為不確定性分布范圍的下界和上界；步驟(10)、綜合以上分析，以步驟(3)中各層厚度X為設(shè)計(jì)變量，以步驟(10)中多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各層界面最高溫度不確定性分布上界小于各層界面許用極限本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：步驟(1)、根據(jù)熱防護(hù)系統(tǒng)真實(shí)服役環(huán)境決定的性能與構(gòu)型需求，多層熱防護(hù)系統(tǒng)由n層不同功能的不同材料結(jié)構(gòu)組成；考慮到材料導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容等熱物性參數(shù)均會(huì)隨溫度變化，各熱物性參數(shù)隨溫度變化的材料屬性曲線需通過一系列特定溫度對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)值插值擬合得到，記各層導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容分別為k

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多層熱防護(hù)系統(tǒng)非概率不確定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：步驟(1)、根據(jù)熱防護(hù)系統(tǒng)真實(shí)服役環(huán)境決定的性能與構(gòu)型需求，多層熱防護(hù)系統(tǒng)由n層不同功能的不同材料結(jié)構(gòu)組成；考慮到材料導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容等熱物性參數(shù)均會(huì)隨溫度變化，各熱物性參數(shù)隨溫度變化的材料屬性曲線需通過一系列特定溫度對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)值插值擬合得到，記各層導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容分別為kij，ρij和cij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，其中，i和j為變量編號(hào)，n為多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)總層數(shù)，m為選取特定溫度的數(shù)量，導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容對(duì)應(yīng)的特定溫度分別記為和步驟(2)、考慮各層材料熱物性參數(shù)由于材料分散性、測(cè)量誤差等導(dǎo)致的各種不確定性，選取步驟(1)中kij、ρij和cij作為不確定參數(shù)；根據(jù)工程試驗(yàn)獲得各不確定參數(shù)分布規(guī)律，得到各不確定參數(shù)的分布范圍，并用區(qū)間形式量化為kij∈[kij_min,kij_max]，ρij∈[ρij_min,ρij_max]和cij∈[cij_min,cij_max]，其中kij_min，ρij_min和cij_min分別為各參數(shù)分布范圍最小值，kij_max，ρij_max和cij_max分別為各參數(shù)分布范圍最大值；步驟(3)、選取步驟(1)中的各層厚度作為設(shè)計(jì)變量，記為X，X＝(x1,x2,…,xn)，n為步驟(1)中所涉及的多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)層數(shù)；各厚度被限定在給定范圍內(nèi)，即xi∈[xi_min,xi_max]，i＝1,2,…,n，其中xi_min為給定xi范圍的最小值，xi_max為給定xi范圍的最大值，一般依靠工程經(jīng)驗(yàn)以及工程造價(jià)條件給定；步驟(4)、在幾何建模過程中，提取各設(shè)計(jì)變量作為控制三維幾何模型的設(shè)計(jì)特征參數(shù)，當(dāng)各設(shè)計(jì)變量在各自給定范圍內(nèi)任意改變時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)幾何自動(dòng)建模，從而完成基于所選設(shè)計(jì)變量的幾何參數(shù)化建模；步驟(5)、在幾何模型的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件的二次開發(fā)功能，提取各不確定參數(shù)作為控制有限元模型材料熱物性屬性的不確定性特征參數(shù)，當(dāng)各不確定參數(shù)在各自分布范圍內(nèi)任意改變時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)有限元模型材料熱物性屬性的自動(dòng)賦值，從而建立基于設(shè)計(jì)特征參數(shù)和不確定性特征參數(shù)的多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型；步驟(6)、基于再入過程彈道數(shù)據(jù)，采用輻射、對(duì)流及傳導(dǎo)多種傳熱方式復(fù)合的傳熱分析方法，考慮氣動(dòng)熱與結(jié)構(gòu)傳熱之間的相互影響，實(shí)現(xiàn)全彈道過程的多層熱防護(hù)系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析求解，得到多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各層界面隨時(shí)間變化的溫度歷程Ts(t)，提取各層界面處的最高溫度作為響應(yīng)輸出，記為s＝0,1,…,n，其中s從0增至n指多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)從外表面至內(nèi)表面所有層的界面；步驟(7)、考慮確定性條件下各熱物性參數(shù)所呈現(xiàn)的隨溫度變化的規(guī)律作為抽樣約束，通過數(shù)據(jù)分析處理軟件編制抽樣算法，相較于傳統(tǒng)完全隨機(jī)抽樣方法，實(shí)現(xiàn)考慮約束條件的隨機(jī)抽樣過程，是為相關(guān)性因子隨機(jī)抽樣方法；基于此方法...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邱志平，蔣文婷，王曉軍，王睿星，王磊，石慶賀，朱靜靜，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11