著陸緩沖系統(tǒng)中吸能結(jié)構(gòu)的耐撞性優(yōu)化.pdf

1、著陸緩沖系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在航空、航天和國防工業(yè)等領(lǐng)域中，其緩沖吸能結(jié)構(gòu)的吸能特性好壞直接影響著陸緩沖系統(tǒng)的緩沖性能，設(shè)計出吸能特性好、質(zhì)量輕且能滿足實際緩沖特性要求的緩沖吸能結(jié)構(gòu)具有重大的實際意義。著陸緩沖系統(tǒng)中常用的緩沖吸能結(jié)構(gòu)有金屬薄壁結(jié)構(gòu)和氣囊結(jié)構(gòu)。本文以有限元仿真為基礎(chǔ)，采用理論與試驗相結(jié)合的方法研究了金屬薄壁結(jié)構(gòu)中的蜂窩結(jié)構(gòu)和蜂窩填充管結(jié)構(gòu)以及氣囊結(jié)構(gòu)中的多室氣囊的吸能特性，并采用合適的優(yōu)化設(shè)計方法對國家重大工程中相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了

2、耐撞性優(yōu)化。主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)提出了一種基于近似模型和多目標(biāo)粒子群算法的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計方法。為了設(shè)計出軸向吸能特性最優(yōu)的六邊形金屬蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)，我們以六邊形金屬蜂窩的元胞胞壁長、胞壁厚和胞壁夾角為優(yōu)化設(shè)計變量，以其比吸能和峰值壓縮應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，對該結(jié)構(gòu)的吸能特性進(jìn)行了耐撞性多目標(biāo)優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，首先采用優(yōu)化拉丁方法在設(shè)計變量空間中進(jìn)行采樣，然后應(yīng)用LS-DYNA計算出每個樣本點對應(yīng)的蜂窩軸向壓縮比

3、吸能和峰值應(yīng)力。根據(jù)這些樣本點信息，分別構(gòu)造了目標(biāo)函數(shù)的多項式函數(shù)模型、徑向基函數(shù)模型、Kriging模型、MARS模型和SVR模型，同時對比這些近似模型的精度，發(fā)現(xiàn)比吸能的二階多項式函數(shù)模型和峰值應(yīng)力的三階多項式函數(shù)模型的精度相對最高。最后，基于精度相對最高的目標(biāo)函數(shù)近似模型，采用多目標(biāo)粒子群算法對六邊形金屬蜂窩進(jìn)行了耐撞性多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了不同峰值壓縮應(yīng)力約束條件下的一系列最優(yōu)六邊形金屬蜂窩結(jié)構(gòu)。
　　 (2)采用簡化的超折

4、疊單元理論推導(dǎo)出了三種常用元胞構(gòu)型金屬蜂窩--正六邊形蜂窩、加強(qiáng)正六邊形蜂窩和彎曲元胞蜂窩的軸向平均壓縮應(yīng)力理論公式，進(jìn)而根據(jù)推導(dǎo)出的理論公式進(jìn)一步計算出了這三種常用預(yù)壓縮蜂窩材料的比吸能大小。同時，我們把預(yù)壓縮蜂窩的比吸能和峰值壓縮應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)，把蜂窩材料的元胞胞壁長和胞壁厚作為優(yōu)化變量，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對三種預(yù)壓縮常用蜂窩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)該多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，可以得到不同峰值壓縮應(yīng)力限制的一系列最優(yōu)蜂窩結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)優(yōu)

5、化結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)正六邊形蜂窩的吸能特性相對最好。
　　 (3)提出了一種基于六等級評價方法的耐撞性評價方法和一種基于近似模型和多目標(biāo)粒子群算法的蜂窩填充管耐撞性優(yōu)化設(shè)計方法。基于六等級評價方法，分別對蜂窩填充正多邊形單層管和蜂窩填充正多邊形雙層管的軸向壓縮比吸能和載荷效率進(jìn)行了等級評價，從而找出了相對吸能最優(yōu)的蜂窩填充正多邊形管為正九邊形管，進(jìn)而對蜂窩填充正九邊形管進(jìn)行了耐撞性多目標(biāo)優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，我們構(gòu)建了蜂窩填充正九邊形單

6、層管和雙層管的比吸能以及峰值壓縮力的多項式函數(shù)近似模型。基于多項式函數(shù)近似模型，我們采用多目標(biāo)粒子群算法對蜂窩填充正九邊形單層管和雙層管進(jìn)行了耐撞性優(yōu)化，分別得到了它們比吸能和峰值壓縮力的Pareto最優(yōu)解集。根據(jù)它們的Pareto最優(yōu)解集，可以分別獲得不同壓縮力約束條件下的一系列最優(yōu)蜂窩填充正九邊形單層管和蜂窩填充正九邊形雙層管。此外，我們還發(fā)現(xiàn)在相同的壓縮力峰值約束條件下，最優(yōu)蜂窩填充正九邊形單層管的單位質(zhì)量吸能比最優(yōu)蜂窩填充正九邊

7、形雙層管的高。這說明在本文所考慮的工況中，蜂窩填充正九邊形單層管的吸能特性比蜂窩填充正九邊形雙層管的好。
　　 (4)提出了一種基于Wierzbicki的蜂窩平均壓縮應(yīng)力公式和多目標(biāo)粒子群算法的腿式著陸器蜂窩緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計方法。采用Wierzbicki的蜂窩平均壓縮應(yīng)力公式計算了腿式著陸器緩沖裝置中的蜂窩結(jié)構(gòu)的軸向壓縮平均壓縮應(yīng)力和比吸能。從而基于該理論解，采用多目標(biāo)粒子群算法對腿式著陸器中蜂窩緩沖裝置的元胞胞壁厚和胞壁長進(jìn)

8、行了多目標(biāo)耐撞性優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合能量守恒原理計算出了緩沖蜂窩的最小軸向長度，從而實現(xiàn)了蜂窩緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計。應(yīng)用該方法對某型四支撐腿著陸器中的主緩沖筒內(nèi)鋁蜂窩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。最后運用經(jīng)試驗驗證的有限元力學(xué)模型對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明該優(yōu)化設(shè)計的緩沖裝置能很好地滿足工程設(shè)計要求。
　　 (5)提出了一種基于近似模型和多目標(biāo)粒子群算法的多室氣囊緩沖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。在該多室氣囊優(yōu)化設(shè)計方法中，以多室氣囊中各個氣囊

9、的體積、初始充氣壓力、排氣壓力和排氣面積為優(yōu)化設(shè)計變量，以被緩沖設(shè)備的質(zhì)心加速度以及氣囊比吸能為優(yōu)化目標(biāo)，采用多目標(biāo)粒子群算法對多室氣囊緩沖系統(tǒng)進(jìn)行耐撞性多目標(biāo)優(yōu)化。本文應(yīng)用該多室氣囊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法分別對重裝空投設(shè)備非連通多室氣囊緩沖裝置以及火星著陸連通多室氣囊緩沖裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在重裝空投設(shè)備非連通多室氣囊緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計過程中，首先采用優(yōu)化拉丁方法在設(shè)計變量空間中進(jìn)行采樣，然后應(yīng)用LS-DYNA計算出每個樣本點對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)

10、值。從而基于采樣點信息，采用ERR結(jié)構(gòu)選擇技術(shù)構(gòu)建了目標(biāo)函數(shù)的簡化的四階多項式函數(shù)近似模型。最后采用多目標(biāo)粒子群算法獲得了目標(biāo)函數(shù)的Pareto最優(yōu)解集，根據(jù)Pareto最優(yōu)解集，可以得到重裝空投設(shè)備非連通多室氣囊緩沖裝置的最優(yōu)設(shè)計。在火星著陸連通多室氣囊緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計過程中，首先采用全因子法在設(shè)計變量空間中進(jìn)行采樣，然后應(yīng)用LS-DYNA計算出每個樣本點對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值。從而基于采樣點信息，構(gòu)建了目標(biāo)函數(shù)的多項式函數(shù)近似模型?；?/p>