【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及飛行器結構設計領域，具體涉及一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法。
技術介紹
1、飛行器的防護結構是指飛行器上用來保護機身、引擎和其他重要部件免受外部環境和意外損害的設計和材料。飛行器在飛行過程中會受到各種外界因素的影響，如氣流、顛簸、氣壓變化、高溫和低溫等，因此需要有可靠的防護結構來保證飛行器的安全性和可靠性。
2、飛行器的防護結構通常包括沖擊吸收材料、耐熱材料、防腐蝕涂層、防彈材料等。這些材料和結構設計需要考慮到飛行器所面臨的各種環境和風險，例如在極端溫度下保證飛行器的材料不會受到損壞，以及在可能受到撞擊或者惡劣天氣情況下保證機身結構的完整性和穩定性。
3、飛行器防護結構的設計和研發需要結合材料科學、結構設計、機械工程等多個學科領域的知識，并且需要遵循航空航天工程的相關標準和規范。隨著科技的發展，飛行器的防護結構也在不斷地進行創新和改進，以適應不斷變化的飛行環境和需求。
4、目前飛行器防護結構向著高防護、輕量化設計方向發展，需要建立防護設計與結構設計循環迭代的設計思想，得到新一代防護-結構功能一體化的輕量化陶瓷防護結構。然而目前缺少防護結構功能一體化的研究，未形成體系化的設計思想和設計方案，因此防護-結構功能一體化的研究迫在眉睫，這符合飛行器的未來需求。
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，本專利技術提供一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，將仿真與試驗相結合，針對飛行器防護結構防護-承載一體化驗證分析與優
2、為達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，包括如下步驟：
4、步驟1、針對給定的飛行器防護結構，選取防護單元；
5、步驟2、針對步驟1所選取的防護單元開展沖擊試驗，建立沖擊數值仿真模型并結合沖擊試驗結果驗證沖擊數值仿真模型的準確性，基于沖擊試驗結果與沖擊數值仿真模型的仿真結果驗證防護單元的防護性能；
6、步驟3、根據步驟1選取的防護單元建立基于隱式靜力學方法的隱式靜力學數值仿真模型，通過隱式靜力學數值仿真模型的數值仿真結果驗證靜載荷承載性能；
7、步驟4、根據步驟1選取的防護單元建立基于顯示動力學的顯示動力學數值仿真模型，通過顯示動力學數值仿真模型的數值仿真結果驗證動載荷承載性能；
8、步驟5、根據步驟1選取的防護單元建立基于顯式動力學-隱式靜力學聯合的顯-隱式數值仿真模型，通過顯-隱式數值仿真模型的數值仿真結果驗證沖擊后靜載荷承載性能；
9、步驟6、根據步驟1中選取的防護單元，選取關鍵結構參數作為設計變量，根據在設計變量構成的設計空間內獲取的采樣點、步驟2中的沖擊數值仿真模型、步驟3中的隱式靜力學數值仿真模型、步驟4中的顯示動力學數值仿真模型和步驟5中的顯-隱式數值仿真模型建立防護單元的防護性能和承載性能的仿真數據庫，基于仿真數據庫建立代理模型，選取優化算法開展防護單元的防護-承載一體化優化設計，并通過引入額外的沖擊試驗數值仿真數據提高全局精度，實現自適應更新；所述關鍵結構參數包括陶瓷面板厚度、陶瓷面板的長和寬、復合材料背板厚度、復合材料背板的材料組合方式。
10、進一步地，所述步驟1中，所述防護單元為反映給定的飛行器防護結構的結構形式且具有同等防護性能的小尺寸防護結構，所述小尺寸防護結構為長和寬均為100mm的平板狀防護結構。
11、進一步地，所述步驟2中，所述沖擊試驗通過發射裝置以規定速度發射制式小口徑子彈，垂直入射防護單元；所述步驟2中，通過沖擊試驗結果驗證防護性能包括對受沖擊后的防護單元進行煤油滲透檢查，若無滲透為防護性能合格，若發生滲透為防護性能不合格。
12、進一步地，所述步驟2中，所述沖擊數值仿真模型為反映小口徑彈的幾何尺寸、小口徑彈的入射速度、接觸部位、典型防護結構幾何尺寸、材料性能、安裝方式的數值仿真模型；通過受小口徑彈沖擊后陶瓷的粉碎、崩落以及背板的彎曲、凹陷、開裂、脫粘、分層試驗與所述沖擊數值仿真模型的仿真結果比較，確認沖擊試驗仿真模型的合理性；所述仿真結果包括等效應力云圖和承載方向位移云圖。
13、進一步地，所述步驟3中的隱式靜力學數值仿真模型為建立一個地板結構的仿真模型，然后通過對該仿真模型的指定部位施加一均勻表面壓力進行仿真，獲得地板結構對該均勻表面壓力的響應結果，通過隱式靜力學方法計算求解，對隱式靜力學數值仿真模型受到的均勻表面壓力進行分析；所述步驟3中，所述隱式靜力學方法構建與時間無關的弱形式平衡方程并根據牛頓-拉夫遜方法迭代求解。
14、進一步地，所述步驟4中，所述顯示動力學方法構建與時間相關的僅儲存質量矩陣的動態平衡方程，并根據前一個時間步的物理量直接計算后一個時間步的物理量；所述顯示動力學數值仿真模型包括90kg的箱子以2.7m/s的速度撞擊一個所述防護單元，所述防護單元的兩個邊緣受到非剛性約束，以防止其在碰撞過程中移動；驗證動載荷承載性能合格的條件包括：當箱子撞擊所述防護單元時，所述防護單元的結構沒有明顯塌陷，所述防護單元的永久局部變形不超過7.62mm，所述防護單元的受箱子撞擊的表面不產生凹痕，若所述防護單元含有陶瓷層，則陶瓷層不出現目視可見的裂紋。
15、進一步地，所述步驟5中，所述顯-隱式數值仿真模型包含兩個部分，第一部分為通過顯式動力學方法計算，對小口徑彈沖擊地板結構進行顯式動力學仿真，第二部分是針對沖擊后的地板結構進行隱式靜力學仿真；選取的防護單元反映飛行器防護結構以及與飛行器防護結構相連接的機體承載構件，包括受沖擊區域周邊600mm×600mm的飛行器防護結構、安裝飛行器防護結構的工字梁以及緊固飛行器防護結構的螺栓；所述顯式動力學-隱式靜力學聯合的方法首先通過顯示動力學方法計算沖擊過程中防護結構與沖擊物的相互作用，獲得因沖擊而損傷的防護單元，然后通過隱式靜力學方法計算施加給定載荷后因沖擊而損傷的防護單元的力學響應；所述驗證沖擊后靜載荷承載性能包括在施加均勻表面壓力后因沖擊而損傷的防護單元的最大應力與最大位移是否不超過設計要求。
16、進一步地，所述步驟6中，以所述關鍵結構參數作為設計參數，采用拉丁超立方采樣法制定采樣點的獲取方式；所述防護單元的防護性能和承載性能的仿真數據庫的構建基于選取的設計參數的采樣點，通過步驟2中的沖擊數值仿真模型、步驟3中的隱式靜力學數值仿真模型、步驟4中的顯示動力學數值仿真模型和步驟5中的顯-隱式數值仿真模型在每個設計參數的采樣點處建立防護單元的模型，進行防護性能和承載性能的仿真，所得的防護單元的設計參數的采樣點和仿真結果構成仿真數據庫；所述步驟6中采用克里金代理模型擬合設計參數與防護單元的防護性能和承載性能的關系；對于所選的防護單元，以防護性能和承載性能為約束條件，以重量為目標函數，選取粒子群算法作為優化算法，實現基于代理模型的一體化優化設計。
17、有益效果：
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【技術保護點】
1.一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟1中，所述防護單元為反映給定的飛行器防護結構的結構形式且具有同等防護性能的小尺寸防護結構，所述小尺寸防護結構為長和寬均為100mm的平板狀防護結構。
3.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟2中，所述沖擊試驗通過發射裝置以規定速度發射制式小口徑子彈，垂直入射防護單元；所述步驟2中，通過沖擊試驗結果驗證防護性能包括對受沖擊后的防護單元進行煤油滲透檢查，若無滲透為防護性能合格，若發生滲透為防護性能不合格。
4.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟2中，所述沖擊數值仿真模型為反映小口徑彈的幾何尺寸、小口徑彈的入射速度、接觸部位、典型防護結構幾何尺寸、材料性能、安裝方式的數值仿真模型；通過受小口徑彈沖擊后陶瓷的粉碎、崩落以及背板的彎曲、凹陷、開裂、脫粘、分層試驗與所述沖擊數值仿真模
5.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟3中的隱式靜力學數值仿真模型為建立一個地板結構的仿真模型，然后通過對該仿真模型的指定部位施加一均勻表面壓力進行仿真，獲得地板結構對該均勻表面壓力的響應結果，通過隱式靜力學方法計算求解，對隱式靜力學數值仿真模型受到的均勻表面壓力進行分析；所述步驟3中，所述隱式靜力學方法構建與時間無關的弱形式平衡方程并根據牛頓-拉夫遜方法迭代求解。
6.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟4中，所述顯示動力學方法構建與時間相關的僅儲存質量矩陣的動態平衡方程，并根據前一個時間步的物理量直接計算后一個時間步的物理量；所述顯示動力學數值仿真模型包括90kg的箱子以2.7m/s的速度撞擊一個所述防護單元，所述防護單元的兩個邊緣受到非剛性約束，以防止其在碰撞過程中移動；驗證動載荷承載性能合格的條件包括：當箱子撞擊所述防護單元時，所述防護單元的結構沒有明顯塌陷，所述防護單元的永久局部變形不超過7.62mm，所述防護單元的受箱子撞擊的表面不產生凹痕，若所述防護單元含有陶瓷層，則陶瓷層不出現目視可見的裂紋。
7.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟5中，所述顯-隱式數值仿真模型包含兩個部分，第一部分為通過顯式動力學方法計算，對小口徑彈沖擊地板結構進行顯式動力學仿真，第二部分是針對沖擊后的地板結構進行隱式靜力學仿真；選取的防護單元反映飛行器防護結構以及與飛行器防護結構相連接的機體承載構件，包括受沖擊區域周邊600mm×600mm的飛行器防護結構、安裝飛行器防護結構的工字梁以及緊固飛行器防護結構的螺栓；所述顯式動力學-隱式靜力學聯合的方法首先通過顯示動力學方法計算沖擊過程中防護結構與沖擊物的相互作用，獲得因沖擊而損傷的防護單元，然后通過隱式靜力學方法計算施加給定載荷后因沖擊而損傷的防護單元的力學響應；所述驗證沖擊后靜載荷承載性能包括在施加均勻表面壓力后因沖擊而損傷的防護單元的最大應力與最大位移是否不超過設計要求。
8.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟6中，以所述關鍵結構參數作為設計參數，采用拉丁超立方采樣法制定采樣點的獲取方式；所述防護單元的防護性能和承載性能的仿真數據庫的構建基于選取的設計參數的采樣點，通過步驟2中的沖擊數值仿真模型、步驟3中的隱式靜力學數值仿真模型、步驟4中的顯示動力學數值仿真模型和步驟5中的顯-隱式數值仿真模型在每個設計參數的采樣點處建立防護單元的模型，進行防護性能和承載性能的仿真，所得的防護單元的設計參數的采樣點和仿真結果構成仿真數據庫；所述步驟6中采用克里金代理模型擬合設計參數與防護單元的防護性能和承載性能的關系；對于所選的防護單元，以防護性能和承載性能為約束條件，以重量為目標函數，選取粒子群算法作為優化算法，實現基于代理模型的一體化優化設計。
...【技術特征摘要】
1.一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟1中，所述防護單元為反映給定的飛行器防護結構的結構形式且具有同等防護性能的小尺寸防護結構，所述小尺寸防護結構為長和寬均為100mm的平板狀防護結構。
3.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟2中，所述沖擊試驗通過發射裝置以規定速度發射制式小口徑子彈，垂直入射防護單元；所述步驟2中，通過沖擊試驗結果驗證防護性能包括對受沖擊后的防護單元進行煤油滲透檢查，若無滲透為防護性能合格，若發生滲透為防護性能不合格。
4.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟2中，所述沖擊數值仿真模型為反映小口徑彈的幾何尺寸、小口徑彈的入射速度、接觸部位、典型防護結構幾何尺寸、材料性能、安裝方式的數值仿真模型；通過受小口徑彈沖擊后陶瓷的粉碎、崩落以及背板的彎曲、凹陷、開裂、脫粘、分層試驗與所述沖擊數值仿真模型的仿真結果比較，確認沖擊試驗仿真模型的合理性；所述仿真結果包括等效應力云圖和承載方向位移云圖。
5.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟3中的隱式靜力學數值仿真模型為建立一個地板結構的仿真模型，然后通過對該仿真模型的指定部位施加一均勻表面壓力進行仿真，獲得地板結構對該均勻表面壓力的響應結果，通過隱式靜力學方法計算求解，對隱式靜力學數值仿真模型受到的均勻表面壓力進行分析；所述步驟3中，所述隱式靜力學方法構建與時間無關的弱形式平衡方程并根據牛頓-拉夫遜方法迭代求解。
6.根據權利要求1所述的一種飛行器防護結構防護-承載一體化優化設計方法，其特征在于：所述步驟4中，所述顯示動力學方法構建與時間相關的僅儲存質量矩陣的動態平衡方程，并根據前一個時間步的物理量直接計算后一個時間步的物理量；所述顯示動力學數值仿真模型包括90kg的箱子以2.7m/s的速度撞擊一個所...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李明凈，王克鴻，李春華，馬德沛，黃業增，董雷霆，李書，賀天鵬，
申請(專利權)人：天目山實驗室，
類型：發明
國別省市：
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