大梯度高温环境下连续体结构热弹性耦合拓扑优化方法与应用研究

Structural topology optimization under complicated load cases is the key fundament of the high-performance and lightweight design of the aerospace structures. Based on the engineering requirements in the structural design of the hypersonic vehicle, topology optimization of the thermo-elastic continuum structures involving high temperature-gradient is proposed and investigated in this project. The main research contents are as follows. (a) Breaking through the assumption of constant material properties, the interpolation models of temperature-dependent material properties are proposed in the case of high temperature-gradient. (b) Topology optimization method of continuum structures involving high temperature-gradient is proposed for static and dynamic problems. (c) The performance of partial structure is studied and the thermo-elastic structures are topological optimized matching in the performances of the global and partial structure. (d) A program for the topology optimization of large-scale thermo-elastic structures is developed and typical aerospace structures are optimized, manufactured and tested. The achievements of this project have an important guiding significance in the aerospace structural design and an effective design software will be developed for the structural design of the hypersonic vehicle.

复杂载荷作用下结构拓扑优化是实现飞行器结构高性能与轻量化设计的重要支撑技术。本项目以高超声速飞行器结构设计需求为背景，提炼出“大梯度高温环境下连续体结构热弹性耦合拓扑优化设计”这一科学问题，属于拓扑优化领域的学术前沿，研究内容包括：①突破材料属性恒定假设，在材料插值模型中引入温度参数，研究建立大梯度高温环境下材料属性插值模型；②研究建立大梯度高温环境下结构热弹性耦合静/动力学拓扑优化方法；③提出结构静/动力学局部性能概念，研究建立结构局部性能和整体性能的匹配设计方法；④开发热弹性耦合结构拓扑优化设计程序，完成典型飞行器结构优化设计、样件加工与性能测试。研究成果对提高飞行器结构设计能力具有重要的指导作用，将为高超声速飞行器结构设计提供有效的软件工具。

大梯度高温环境是高超声速飞行器结构的典型服役环境，热弹性耦合结构设计是高超声速飞行器研制的关键。本项目以高超声速飞行器结构设计需求为背景，提炼出“大梯度高温环境下连续体结构热弹性耦合拓扑优化设计”这一科学问题，着重研究大梯度温度场下考虑材料非线性的热弹性耦合拓扑优化方法，同时根据工程需求建立了多种结构设计问题的优化方法。完成的主要研究工作包括：①突破材料属性恒定假设，在材料插值模型中引入温度参数，建立了大梯度高温环境下材料属性插值模型；②建立了结构性能灵敏度求解的迭代算法，有效解决了材料非线性造成的伴随法中非对称热传导矩阵导致平衡方程难以求解的问题，建立了大梯度高温环境下结构传热性能和热弹性耦合拓扑优化方法；③提出结构局部性能概念，建立了结构局部性能和整体性能的匹配设计方法，包括热结构局部保形拓扑优化和考虑区域法向变形一致性的拓扑优化方法；④基于结构支反力向量构造了支反力均匀性和载荷分配的定量模型，分别建立了考虑支反力均匀性及载荷分配的拓扑优化方法；⑤利用大质量法、模态加速度法和虚拟激励法，建立了基础简谐/随机加速度激励下结构拓扑优化设计方法；⑥利用基于应变能的均匀化方法对点阵宏观性能进行等效，建立了基于多相材料拓扑优化的点阵-加筋结构协同优化设计方法。⑦在轴对称结构的固定网格B样条有限胞元法计算框架下，引入水平集函数描述的B样条曲线作为孔洞特征驱动设计区域的拓扑演化，建立了轴对称结构拓扑与压力边界形状协同优化设计方法。应用理论方法研究成果，完成了多项高速飞行器热结构优化设计，减重效果显著；其中，某型高速飞行器舵面结构减重超过60%，某型高速飞行器主承力接头热弹性耦合优化设计方案减重超18%并已完成地面试验，充分验证了本项目成果的工程价值和实用性。本项目成果对提高飞行器热结构设计能力具有重要的指导作用和实用价值。