瞬态热载荷下具有时变可靠性约束的结构拓扑优化方法研究

The structural design with thermal environment is major performed under steady heat loads, and hardly considers the plenty of uncertainties in the design process. To perform the reliability based structural design of high-speed vehicle with thermal environment, the project devotes to developing the reliability based topology optimization (RBTO) algorithms under transient heat loads. For the time-dependent thermal-mechanical coupling outputs, considering the uncertainties of the multiple physical factors, the time-dependent reliability model is constructed in the time domain based on the extreme value method. For the topology optimization model with time-dependent reliability constraint, combining the variable density method for the continuum structures, the efficient RBTO algorithm are presented based on the sequential optimization and reliability analysis (SORA) method and the surrogate model method. The presented theory and methods are applied in the design of the wing box ribs of high-speed vehicle, which can obtain the results satisfying both the requirement of lightweight and safety. Then, develop the RBTO software with thermal environment and extend the presented research to other relative field. This project is very significant for completing the design theory and its application of RBTO with thermal environment.

目前针对热环境下的结构设计主要是在稳态热载荷下开展的，并且大多没有考虑设计过程中存在的大量不确定性。为了开展热环境下高速飞行器基于可靠性的结构设计，本项目拟研究瞬态热载荷下的可靠性拓扑优化分析方法。针对瞬态热载荷下与时间相关的结构热力耦合响应,考虑结构设计中多种物理因素的随机不确定性，基于极值方法建立时间域内的时变可靠性分析统一模型。针对具有时变可靠性约束的拓扑优化分析模型，结合连续体结构的变密度法，建立基于顺序优化法和代理模型法的可靠性拓扑优化分析高效算法。将所建理论和方法应用于高速飞行器机翼前缘翼肋的设计中，得到满足轻量化设计和安全性要求的设计结果。编制热环境下的可靠性拓扑优化软件平台，实现所研究理论方法在其他相关领域的推广。本项目对完善热环境下的结构可靠性拓扑优化设计理论及其应用具有重要意义。

本项目针对热环境下高速飞行器的结构设计问题，研究了基于可靠性的结构优化设计方法。考虑热相关参数的不确定性，开展了随机环境下结构响应的不确定传播分析，并对结构响应的概率特性进行研究。考虑瞬态热载荷下的结构响应的时间相关性，建立了时间域内的热结构可靠性分析模型，形成了基于代理模型和极值响应理论的可靠性分析方法。针对优化设计问题，建立了瞬态热载荷下具有时变可靠性约束的优化设计模型，研究了基于顺序优化法和代理模型法的高效可靠性优化分析方法，并对方法的效率和精度进行了交叉对比；针对一般的热分析问题开展了时间相关因素下的可靠性分析和优化设计研究，通过数值算例开展了所建立分析方法的对比与验证，并将所建立的方法应用至高速飞行器机翼前缘翼肋结构中，实现了热环境下满足可靠性要求时的翼肋结构的拓扑优化减重设计。通过项目的研究，能够为热环境下的结构优化设计提供理论支撑和技术手段。