本發明屬于航天艙段結構設計領域，涉及一種二級箱間段結構優化設計方法。

背景技術：

結構優化、特別是結構拓撲優化技術在各類結構設計中具有重要意義。基于先進的有限元數值分析技術發展起來的現代結構拓撲優化技術已經在航空航天、交通運輸等部門得到了成功的應用，如在飛機等關鍵部件設計中獲得了可觀的優化收益。

芯二級氫箱和二級氧箱之間通過桿系形式的二級箱間段連接，在試驗或者飛行中主要受軸拉/軸壓載荷作用。對傳統設計給出的結構形式經過有限元分析表明：箱間段桿系上接頭在軸拉工況下發生三點彎曲，存在大面積的高應力區，不滿足強度要求。為能得到滿足設計要求的上接頭結構形式，必須通過拓撲優化的手段重新設計上接頭結構形式，使得該區域應力水平下降，達到預期性能指標。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供一種二級箱間段結構優化設計方法，該方法能夠提高桿系部段叉子單元的接頭集中載荷的擴散效率，降低接頭應力水平，解決箱間段叉子單元接頭的局部強度問題。本發明適合于運載火箭桿系部段叉子單元的接頭設計，有利于降低接頭應力水平，提高結構承載能力。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種二級箱間段結構優化設計方法，主要包括二級箱間段結構的叉子單元上接頭拓撲優化和設計優化兩部分，具體步驟如下：

第一步，對二級箱間段結構的叉子單元上接頭進行拓撲優化

傳統設計給出的叉子單元上接頭結構，在部段軸拉載荷作用下，結構局部存在很高的集中應力，不滿足強度要求。為能得到滿足設計要求的上接頭結構形式，本發明通過拓撲優化的手段重新設計上接頭結構形式，使得該區域應力水平下降。

1.1)在HyperMesh中建立原二級箱間段結構的上接頭模型，用一塊實體的設計域包圍原有上接頭，建立上接頭拓撲優化模型；并考慮螺栓的安裝需求，在設計域中預留出螺帽所占用的空間。

1.2)簡化上接頭拓撲優化模型，將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力，近似等效軸拉工況，完成上接頭拓撲優化的模型建立工作；

1.3)因為拓撲優化只為尋找最佳的傳力路徑，據此給出概念設計，并不需要進行十分精確的非線性分析，考慮到接頭的實際約束和受力情況，優化模型予以簡化，直接將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力來近似等效軸拉工況。

以上接頭拓撲優化模型剛度最大(最小柔順性)為設計目標，給定結構重量上限，對優化設計域內的材料密度分布進行設計，在OptiStruct中定義求解二級箱間段結構的最小柔順性優化問題，得到上接頭拓撲優化設計結果，即二級箱間段接頭的具體參數。

依據OptiStruct軟件中拓撲優化問題的求解算法(SIMP)，構造最小柔順性優化問題：

(a)目標：二級箱間段結構的最小柔順性設計使結構整體剛度最大。

(b)約束：確定體積用量，作為約束上限。所述的體積用量為整體二級箱間段結構的10％。

(c)設計變量：優化設計域內單元密度。

1.4)根據步驟1.3)得到二級箱間段上接頭的具體參數及其他部件原始參數，在有限元分析軟件Abaqus中建立箱間段叉子單元及相鄰火箭殼體的聯合模型，進行有限元分析，得到有利于箱間段上接頭集中應力的擴散的上接頭結構形式，該上接頭結構形式能夠避免局部三點彎曲效應，降低接頭應力水平，結構滿足強度要求。

第二步，對二級箱間段結構的叉子單元上接頭進行設計優化

在第一步1.4)得到的上接頭結構形式的基礎上，考慮上接頭自身強度及總體要求、工藝等，對上接頭結構的具體幾何參數進行優化，獲得詳細的結構參數。經過設計優化后，叉子單元接頭材料為鈦合金ZTC4。該結構形式滿足總體結構要求，構型比較簡單，易于加工制造，且有利于裝配以及集中應力擴散，經有限元分析和地面靜力試驗驗證，該結構滿足強度要求。

本發明的有益效果為：在叉子單元上接頭優化前，該結構在軸拉載荷作用下存在三點彎曲問題，大面積材料應力、應變水平過高，不滿足強度要求。采用本發明的“三爪”結構形式的上接頭后，結構一次性通過地面靜力試驗考核，應力水平得到極大的降低，結構承載力明顯提高。

附圖說明

圖1為拓撲優化模型；

圖2為為上接頭拓撲優化歷程曲線；

圖3為設計優化后叉子單元上接頭結構形式。

具體實施方式

以下結合具體實施方式對本發明做進一步說明。

一種二級箱間段結構優化設計方法，主要包括二級箱間段結構的叉子單元上接頭拓撲優化和設計優化兩部分，整個過程如圖2所示，步驟如下：

第一步，根據結構載荷形式，對二級箱間段結構的叉子單元進行拓撲優化，得到粗略結構形式，通過拓撲優化的手段重新設計上接頭結構形式，使得該區域應力水平下降。

1.1)在HyperMesh中建立原二級箱間段結構的上接頭模型，用一塊實體的設計域包圍原有上接頭，建立上接頭拓撲優化模型；并考慮螺栓的安裝需求，在設計域中預留出螺帽所占用的空間。

1.2)簡化上接頭拓撲優化模型，將螺孔約束，并在上接頭的軸向加載集中拉力，近似等效軸拉工況，完成上接頭拓撲優化的模型建立工作；

1.3)以上接頭拓撲優化模型剛度最大(最小柔順性)為設計目標，給定結構重量上限，對優化設計域內的材料密度分布進行設計，在OptiStruct中定義求解二級箱間段結構的最小柔順性優化問題，得到上接頭拓撲優化設計結果，即二級箱間段接頭的具體參數。

依據OptiStruct軟件中拓撲優化問題的求解算法(SIMP)，構造最小柔順性優化問題：

(a)目標：二級箱間段結構的最小柔順性設計使結構整體剛度最大。

(b)約束：確定體積用量，作為約束上限。所述的體積用量為整體二級箱間段結構的10％。

(c)設計變量：優化設計域內單元密度。

1.4)根據步驟1.3)得到二級箱間段上接頭的具體參數及其他部件原始參數，在有限元分析軟件Abaqus中建立箱間段叉子單元及相鄰火箭殼體的聯合模型，進行有限元分析，得到有利于箱間段上接頭集中應力的擴散的上接頭結構形式。

第二步，對二級箱間段結構的叉子單元上接頭進行設計優化

在第一步1.4)得到的上接頭結構形式的基礎上，考慮上接頭自身強度及總體要求、工藝等，對上接頭結構的具體幾何參數進行優化，獲得詳細的結構參數。結果表明上接頭“三爪”結構的結構形式(如圖3所示)有利于箱間段接頭集中應力的擴散，避免了局部三點彎曲效應，降低了接頭應力水平，結構滿足強度要求。