机械优化折叠核心三明治板的空间飞行器热防护系统

文摘

综合热保护系统(itp)是一个复杂的系统,地址机械和热的考虑。一个M-pattern折叠核心夹层板挤满了低密度绝缘材料提供了一个潜在的固有的低质量itp面板。这里,我们确定最具影响力的几何参数,建立一个可行的、计算效率优化过程。变量为优化考虑itp的几何尺寸,而温度和挠度作为约束条件。一维(1 d)热模型基于一种修改的混合物成立的规则,同时三维(3 d)模型采用线性静态分析。参数模型生成的促进实验设计(DOE)研究中,使用径向基函数和近似模型进行优化得到的过程。首次进行了敏感性研究调查的影响几何参数对itp的反应。然后优化进行热力和机械约束。结果表明,简化的一维热模型能够预测温度通过itp厚度圆满。组合优化策略明显提高计算效率的设计过程显示可用于折叠核心itp的初始设计。

1。介绍

空间飞行器遇到严重的气动加热和压力加载在提升和再入。热保护系统(TPS)因此需要保持底层结构的温度在可接受的范围内(1]。传统TPS不承重组件,一个集成的热保护系统(itp)轴承的机械和热负荷2,3]。金属泡沫的核心和瓦楞芯被广泛调查实现这一目标(3- - - - - -9]。金属泡沫是一个有吸引力的命题为核心三明治为其理想的机械、热、声和impact-absorbing属性(10]。Venkataraman et al。4)优化的密度分布,以减少热传导通过金属泡沫厚度。朱et al。5)评价金属的性能不会国际旅游业伙伴关系,并与传统的TPS设计。此外,一个开孔金属泡沫夹层结构的核心还允许主动冷却。Rakow和Waas2)研究了材料的反应积极冷却金属泡沫夹心板材热保护系统。结果表明,温度和热变形减少通过活跃的冷却。瓦楞芯三明治结构提出了itp由于有利的强度重量比和良好的工艺性。Bapanapalli et al。3]研究了波纹夹层板的核心概念,建立了一个优化程序itp面板的重量降到最低。Sharma et al。6)均质itp面板基于有限元模型和构造multifidelity模型在优化降低成本对于一个给定的精度。谢et al。7,11)开发了一种两步优化方法获得最优itp维度。

另一个有前途的结构适合itp的概念是一个折叠核心夹层板使用一个三维的核心,可以做成平面基材以及某些几何线(12,13]。它可以制成各种板材料在一个方便的持续的过程,可以裁剪成不同的几何图形满足不同的功能需求。此外,折叠核心的开孔设计消除了腐蚀的问题对于金属蜂窝芯材结构是一种常见的问题,特别是那些用于航空航天工业(14]。

这些优势导致了几个研究项目为折叠核心结构(15- - - - - -20.]。王、徐(15)实验研究了核心三明治板折叠的隔音的特点。Heimbs et al。16,17)评价压缩下折叠结构的机械性能,剪切和冲击载荷实验和数值的一系列研究。审计局和Lebee18,19]估计范围的横向剪切模量折核心使用单位荷载法,后来Bending-Gradient板理论应用于评估其剪切刚度。然而,目前大多数研究折叠核心结构侧重于其声,机械,和冲击性能,同时工作的能力存在潜在的热保护。

本研究建立了一个机械优化过程为一个折叠核心sandwich-based itp。首先,小说分析公式建立了有效热导率使用修改后的混合物的方法,规则和均质一维之间的比较研究一维)和相应的三维3 d)热模型。简化的一维热模型是用来确定温度分布,这是作为热载荷在随后的线性静态分析折叠核心夹层板。敏感性研究是最具影响力的参数进行了识别。最后,给出了优化方法,用于获得最优itp的结果。

2。折叠核心TPS

2.1。几何描述

综合热保护系统(itp)是一种夹层板和两个瘦脸床单隔开折叠核心,可以均匀的各向同性材料,如金属或正交各向异性材料,如复合材料,如图1。折叠的空间核心是挤满了non-load-bearing SAFFIL等绝缘材料(3]。作为一个单独的组件,这种多功能结构提供了热保护以及承载能力。

通常情况下,一个单位M-pattern折叠核心的细胞可以完全描述一组五个独立的几何参数,如图(17日)。使用术语(21),定义的几何模型是折叠核心的高度H锯齿形线间距的一半年代,的锯齿状线条间距2l锯齿形线振幅V和间距的锯齿状线条B。

2.2。材料特性

材料选择夹层板的不同部分是基于以前的经验与装甲TPS (22)和瓦楞芯itp (3]。718年铬镍铁合金,Ti-6Al-4V钛合金、2024铝合金用于顶面表,折叠核心,分别和底面表。SAFFIL泡沫密度的48公斤/米³用于绝缘。

温度依赖热属性是用于我们的传热分析23,24),而物理特性被认为是常数(7在线性静态和屈曲分析,进一步简化模型的初步研究。传热机制通过纤维绝缘涉及固体传导,气传导,辐射,和可能的自然对流。为简单起见,有效导热系数是用来估计合并后的传热机制SAFFIL绝缘(25]。所有使用材料属性中发现(23- - - - - -25]。

3所示。传热分析

3.1。热载荷和边界条件

入射热流车辆随多种因素,如车辆的形状、轨迹资料,不同的位置。在目前的研究中,入射热流的再入过程中可重复使用的运载火箭(RLV)投放(3]。顶面表的外表面受到瞬态热流如图2。底面表的内表面是保守地认为是绝热的。初始结构温度为295 K。

辐射到周围的气氛也被认为是一个常数发射率为0.86,这是典型的TPS外部材料和表面处理。对流是效仿车辆触动在地上。对流传热系数被假定为6.5 W / m²·K (3),环境温度为295 K。

3.2。简化的一维热模型

为了研究结构性能在温度环境下,有必要获得通过面板温度分布。米勒和韦弗(26,27)开发基于积分变换和分离技术分析模型的变量和描述瞬态温度分布通过充气箱结构和多层盘,分别。有限元法(FEM)模型也建立了比较目的和显示一个不错的选择。在这个初步的研究中,目前采用Abaqus有限元模型(28确定温度分布。由于折叠核心的周期性特点,假设没有横向热流的单位细胞,这意味着热通量事件在一个单位细胞只会影响这个特定的单位细胞。虽然可能略有不同的温度分布在一个真正的itp面板由于itp面板安装在纵梁和帧可能导致潜在的跨单元横向热流,这副效应不是考虑初步设计。根据超视距研究et al ., 1 d模型可以合理地预测温度在TPS系统(25,29日]。为了减少时间成本的瞬态传热分析,折叠核心itp热模型进一步简化为一维模型。

在以下的均质属性折叠核心计算混合方法的使用修改后的规则。密度的均质效果 ,比热 ,和热导率是 在哪里是体积分数;下标的 , ,和指网络、SAFFIL和均质核心,分别;的标和代表了平行六面体部分和长方体的核心的一部分方向(见图(17日)和18)。具体地说,(3)表明,热导率是增强通过考虑形状不规则的核心。条款和倾斜角度,夹角,如图18。均质属性的详细推导在附录中给出。

在瞬态传热分析的情况下,我们比较的结果3 d和一维热模型。8-node砖元素(DC3D8)和2-node link元素(DC1D2)用于3 d和1 d模型,分别。网格收敛性研究(图3)三维模型显示温度变化与元素的数量在底面表的中点。

网格大小6195个节点和4900个元素最终定居在三维传热模型,其温度结果仅比细孔网略有不同。类似的研究也进行了一维模型,导致21节点和20正在使用DC1D2类型的线性链接元素。图4显示了3 d网格单独和一维传热模型,图4(一)与SAFFIL网格,而图4 (b)是指固体部分,也就是说,面对表和网络。单个运行为每个模型表明,减少了计算时间的一维模型近70%。几个关键位置上的折叠核心小组通过分析和监测示意图见图5。

瞬态热分析的结果为一个折叠核心夹层板的数据所示6- - - - - -8在三个位置,温度和再入次(前、中期和底部)。图6表明,在顶面表1维模型可以预测温度准确,大概是四个地点的气温的平均值的3 d模型。图7显示1 d温度略高于底面上的3 d模型结果表,因此显示好简单的一维模型的验证。图8显示温度变化以时间为核心的中部位置。之间的最大偏差1 d和3 d模型时发生热通量是相对较高的。这一现象预计将发生倾斜角度的存在。随着1 d预测主要在于3 d的中间结果,因为它反映了温度的变化趋势正确,它被认为是在初步设计中可使用的过程。基于前面的分析,可以得出结论:一维传热模型预测温度通过itp厚度与令人满意的精度。

在瞬态传热分析,底面表的最高温度。同时,通过面板厚度的温度分布也在后续使用中提取在下一节中描述的线性静态分析,通过使用python代码从有限元结果文件。

4所示。线性静态分析

在本节中,3 d模型用于描述的线性静态分析。SAFFIL材料可以忽略不计的力学性能表和网络相比,软绝缘材料是不考虑在结构分析。在当前的研究中,四个单元细胞被认为在折叠核心小组。降低计算费用,只有一半的面板模型在有限元线性静态分析。三维折叠核心小组模仿使用eight-node壳单元(S8R)。网格收敛性进行了研究,大约9715个节点和3110个元素用于线性静态模型如图9。

面对床单和核心之间的连接是通过基于地表的领带约束。温度和空气动力压力加载应用。温度剖面数据取自一维传热分析一节中描述的顶面单时达到最高温度在整个再入阶段。然后顺利四次多项式拟合得到的温度分布到实际的温度数据。这些多项式用于温度分配给相应的线性静态模型。通过这种方式,我们假设面板温度统一在各自的长度和宽度,一个必要的和限制使用一维热模型的结果。通过考虑温度变化在整个面板厚度,这个近似被认为是可以接受的。

统一的压力负荷的101325 Pa,这被认为是国际旅游业伙伴关系可能遇到的最大压力在再入(3),是应用于内表面的顶面单。模型如图10。对称边界条件(设在)应用于对称边缘。其他三条边,实际面板边缘,边缘的底面表是固定在垂直位移(设在)和三个旋转,和顶面表边缘固定在所有三个旋转,同时允许所有三个位移发生。此外,一个固定的应用位移之间的交点两底面的实际边缘板消除刚体模式。

5。优化研究

5.1。优化的方法

组合优化方法是采用如图11。两个热与结构参数化模型生成为了有效地进行敏感性研究和优化过程。为了减少计算时间,简单的近似模型建立目标函数和约束条件。这样做是使用径向基函数(RBF) (30.),这是一种神经网络采用一个隐藏层径向线性单元的单元和一个输出层。这个神经网络适用于近似非线性空间的广泛。

首先,一个拉丁超立方体抽样(lh) [31日)技术用于实验设计(DOE)。变量通常被称为因素在美国能源部的一项研究中,当变量的值被称为水平。lh技术,为每一个因素是设计空间均匀分裂,然后这些水平随机组合指定采样点定义设计矩阵。它提供了一个有效的方法来生成随机样本点,也有一个均匀分布在整个设计空间。然后进行了传热和线性静态分析,分别对这些样品和相应的反应。

后来,RBF近似模型生成基于这些数据。一套完整的设计空间的随机点验证其准确性。这些近似模型不断更新与额外的采样点,直到获得必要的精度,然后用于替代有限元模型在接下来的优化过程。

遗传算法在优化过程中,multi-island(多边投资担保机构)32)是采用先定位近似全局最优解。遗传算法(GA)治疗复杂非线性优化相对较好。多边投资担保机构是遗传算法的进一步发展,将每一个个体组成的群体划分为若干个亚种群称为群岛,和传统的遗传操作执行单独每个岛上。几个人然后选择定期从每个岛和迁移到不同的岛屿。迁移操作维护的多样性可能的解决方案和防止早熟现象。最后,基于多边投资担保机构解决方案,应用序贯二次规划,进一步优化设计。

5.2。敏感性研究

基于均质敏感性进行了研究一维瞬态传热分析探讨不同几何参数的贡献itp的反应。

Isight [33)是用来促进美国能源部的进行有限元分析。共100个采样点进行了研究,然后通过最具影响力的参数敏感性分析。最大底面的敏感性分析结果表温度、面密度的面板,和最大的顶面提出了薄板挠度数据使用条形图12- - - - - -14为积极影响和红色,蓝色的负面影响。

灵敏度栏图绘制在图12表明,折叠核心的高度在内部温度控制中起着主导作用。更大的高度意味着更厚的绝缘材料,块的热通量流入面板。l也对底面表温度有显著的负面影响;与增加,单位细胞密度降低,从而导致更长的传热路径。底面表作为散热器组件,所以厚度底面表也是一个有影响的参数。厚的web意味着更多的热量进行底面表,所以web厚度不利影响底面表温度。

图13显示了面密度的敏感性指标。看到,核心的厚度和脸表一起折叠核心的高度最有助于面密度。相比之下,一个更大的和意味着更大的面板区域,这导致一个小面密度。

从图14面板尺寸和顶面薄板厚度被认为为顶面板挠度相对重要的因素。因为顶面表温度接近辐射平衡温度,温度分布通过面板厚度对顶面板挠度的影响不大。这种考虑解释为什么敏感性指数的顶面偏转对H,t, ,和相对较低,尽管他们极大地影响最大的底部温度,如图12。

5.3。热优化

在本节中,只考虑热模型。根据我们之前的敏感性研究,间距对底面表温度几乎没有影响,面密度,顶面偏转。这里是固定的( 毫米),以减少设计变量的数量。设计的范围变量敏感性的研究中使用的相同,如表所示1。

面板的单位面积上的质量,作为目标函数,只是给出了

最大的底面表温度,必须低于某一温度的限制,作为约束条件。

优化问题是简洁地描述

第一,300分是在设计空间中选择使用lh然后用于构造近似模型对目标和约束函数。另一个50个随机点被用来评估近似模型的准确性。细节如表所示2,RMSE代表均方根误差代表确定系数。结果表明,近似最大底面表温度和磁录密度是高质量的。

后来,近似模型被用来代替前面的有限元热模型进行优化的过程。多边投资担保机构的关键参数如下:分组人口规模是20,岛屿的数量是3代的数量是50,交叉和变异的利率是1.0和0.01,迁移率为0.1,和迁移间隔是5。

3例被认为,最优结果如表所示3。见过,和在他们的上界面板的面积最大化。V,t,在他们下界的比例降到最低核心网络和顶面单。最优结果显示相同的趋势敏感性分析结果。当itp限制较少的温度要求,在下界,而增加底面表温度限制减少了。作为底面表作为散热器组件,增加包含额外的热量达到上限。

5.4。胎面优化

一张大顶面偏转可以改变itp周围的流动,从而导致显著增加气动加热。我们之前的热的基础上优化,线性静态模型现在纳入我们的考虑。设计空间和目标函数中使用的相同热优化,而最大的顶面板挠度约束以及底面施加表温度限制。线性静态分析表明,极高的压力发生局部由于边界效应,而部分远离边界的应力在材料强度。因此,压力并不是视为一个约束。

优化问题只是陈述如下: 在哪里指的是最大挠度和顶面表面板的对角线长度。在这里,400 LHS-obtained点最早建立RBF近似,而50个随机点被用来验证其准确性。为了实现一个可接受的误差水平,200额外的采样点按顺序添加到设计空间。精度评价结果如表所示4。

最后,胎面优化是在此基础上进行近似模型。多边投资担保机构中使用的参数值是一样的最后一部分。优化结果如表所示5。见过,H,和主要是受温度限制,类似的趋势反映在热优化。顶面薄板厚度不再是下界和由顶面板挠度和温度约束也略有不同。从案例中- - - - - - , 增加以满足一个更具挑战性的偏转约束,这也意味着更多的热量进行面板;为了保持底面表温度,增加与 。

优化变量的情况和随后被输入到有限元分析。对比RBF的预测和有限元结果如表所示6。RBF和有限元值之间的相对误差小于5%,这表明近似模型具有较好的精度。

图15说明了位移itp面板的轮廓方向为例 。看到的是当地的影响压力加载只出现在顶面表和最大挠度发生在顶面中间表。

在上面的优化过程中,温度和位移作为约束,屈曲时,也可能导致灾难性的失败,不考虑。因此,额外的屈曲进行了分析在三个不同的时间,时间(时间1,2,3)顶面单时,web中产和底面板达到各自的最高温度。相同的模型中使用的线性静态分析屈曲分析。最小的积极特征值表中列出7和相应的屈曲模型如图16。是见过屈曲可能不会发生对当前的设计情况 。

温度变化的数据6- - - - - -8、顶面时表和网络中达到最高温度非常接近,导致类似的屈曲模式如图(16日)和16 (b)。底面表温度达到最大值时,温度分布在整个面板厚度与其他两个相比发生了显著变化。因此,网络上扣时在不同的位置,如图316 (c)。

6。结论

小说和材料优化程序已经开发了折叠为核心集成热保护系统(itp)的概念。此外,一种改进的混合方法的分析规则计算导热系数考虑倾斜的形状折叠核心提出了通过结构和热模型,使均匀变化是降低计算成本与开发的3 d结构。然后进行敏感性分析和优化研究确定关键变量的影响力。下面是关键的结论。

比较热分析表明,1 d模型相比具有相对较高的精度与三维模型进行传热分析。这种方法减少了计算时间近70%,同时保持足够准确的温度分布预测。目前的材料组合,底面表温度显著降低折叠核心的高度增加,锯齿线距,底面薄板厚度。找到理想的web厚度,不令人惊讶的是,尽可能薄为了减少质量和热量进入面板。锯齿线之间的间距对反应被认为是几乎没有影响。给出了径向基函数近似是高质量的,可以用来代替更昂贵的有限元模型进行优化研究。

在当前的研究中,只有压力负荷和热负荷被认为是;然而,国际旅游业伙伴关系结构是在再入,会受到各种各样的负载。屈曲约束和折叠核心拓扑的影响应考虑未来的工作。

附录

推导的均质M-Pattern折叠核心的属性

考虑一个典型的M-pattern折叠核心单元,如图(17日)。它可以折叠不断从一个平板组成的平行四边形与矩形板的重复组合,如图17 (b)。平板的参数可以从这些相应的折叠核心(13,21]

的夹角 ,可能不同的范围0°- 90°,独立参数有关

作为更频繁地用于推导后,夹角之间的关系和独立的参数重新安排是吗

折叠核心的有效导热系数沿厚度方向(核心方向)可以通过分析导热半晶胞图所示18。通过考虑蜘蛛网的倾向,导热系数沿厚度方向不能简单地使用一般的均质混合物。修正案是通过引入倾斜角度和分别为平行六面体和长方体部分。为简单起见,面板都假定为免费process-induced几何缺陷和web厚度均匀。

平行六面体的部分(见图(19日)),也就是说,有效导热系数是由 在哪里和是网络的体积分数和SAFFIL:

同样,长方体的部分(见图19 (b)),也就是说,部分, 在哪里和是网络的体积分数和SAFFIL:

一旦每个部分的有效导热系数,使用一般的混合物。提出折叠核心的均质热导率可以表示为 在哪里和指的是平行六面体和长方体的体积分数,分别。

通过调用(各)和(要求寄出),(如系)可以写成

的有效密度和比热均质折叠核心是容易计算征收混合物的一般规则: 在哪里和是网络的体积分数和SAFFIL折叠核心单元细胞:

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由江苏为研究生教育创新项目资助(批准号CXLX13_163),中央大学的基础研究基金(批准号NZ2016101],一个项目优先资助的学术程序开发江苏高等教育机构(PAPD)。陈周还要感谢中国奖学金委员会(CSC)的资金通过布里斯托大学的研究工作。

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