火箭结构估重与总体优化设计的数字化实现及应用.pdf
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1、第8 卷第1 期2024年1 月宇航总体技术Astronautical Systems Engineering TechnologyVol.8No.1Jan.2024火箭结构估重与总体优化设计的数字化实现及应用徐倩1,顾名坤1,容(1 北京宇航系统工程研究所,北京1 0 0 0 7 6;2.中国运载火箭技术研究院,北京1 0 0 0 7 6)摘要:火箭新型号总体方案论证时,一般借鉴国内外相近规模和相同推进剂火箭的结构系数进行类比确定子级结构系数,按照比例系数分配贮箱和壳段等部段的质量,但该质量分配不能反映载荷对结构设计的影响,在细化迭代设计中易造成方案无法闭环,导致设计工作反复。为了加快总体方
2、案论证,提出一种基于载荷的箭体结构快速估重方法,开发形成结构估重数字化模块并嵌入总体设计平台。应用案例表明,提出的数字化估重平台能够有效提高估重精度,同时显著缩短论证周期,兼具总体方案比较和优化、全箭质量管理等功能,能有效降低方案推翻重新设计的风险,在新型号总体方案论证中发挥了重要作用。关键词:方案论证;数字化实现;结构;估重;优化中图分类号:V241.1易,张薇,赵婷1文献标志码:A文章编号:2 0 9 6-40 8 0(2 0 2 4)0 1-0 0 38-1 0Digital Implementation and Application for Structural WeightEsti
3、mation and General Optimization of Launch VehiclesXU Qian,GU Mingkun,RONG Yi?,ZHANG Wei,ZHAO Ting(1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering,Beijing 100076,China;2.China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)Abstract:During the overall scheme argumentation of new la
4、unch vehicles,structural coefficientsof those with similar scale or same propellants are used for reference and then structural weight oflaunch vehicle segments are calculated.As the weight of tanks,shells and other segments is givenaccording to proportionality coefficients,it is irrelevant with the
5、 loads on the structure,which cancause large differences in detailed iterative design,so that the scheme cannot be self-consistent andhas to be done repeatedly.In order to expedite the overall design process,method of faststructural weight estimation is studied.A structural weight estimation digital
6、 module is build andembedded into the overall design platform,which estimate structural weight based on the loadsand in the loop,so that the precision is much better and the required time is much fewer.By thismethod,the risk of redesign is smaller and the efficiency of overall argumentation is great
7、ly im-proved.The structural weight estimation digital module also provides the function of overallscheme comparison and optimization and weight management of launch vehicles.It played a greatrole in scheme argumentation of new launch vehicles,and extended its application to other type oflaunch vehic
8、les and other research phases.Key words:Scheme argumentation;Digital implementation;Structure;Weight estimation;Opti-mization收稿日期:2 0 2 3-1 0-30;修订日期:2 0 2 3-1 2-0 5作者简介:徐倩(1 9 8 5一),女,博士,高级工程师,主要研究方向为飞行器总体设计。第1 期0引言结构估重是航空航天等领域大型系统设计中十分关键的环节,从型号设计初期就介人总体方案论证,此时设计人员还不具备条件开展具体的结构设计,因此,即使对经验丰富的结构设计工程师
9、而言也是不小的挑战。航空历史上曾出现过多次飞机结构超重事件1 ,著名的波音7 47 和空客A380也不能幸免2 ,洛克希德-马丁公司曾宣布暂停F-35项目的研制工作,主要原因也是估重问题3。火箭总体构型论证中这类问题也很突出,若前期估重过于冒进,后期型号可能不得不修改方案或开展大规模减重设计更改;而若估重过于保守,则会造成系统性能指标不具备竞争力。当前火箭新型号论证中尚无快速、准确的结构估重方法,结构质量分配不能预示载荷变化对运载能力的影响规律。结构估重和运载能力评估的迭代论证协调链路较长,论证效率较低,不利于总体方案的快速迭代优化。陈伟俊等4 在2 0 2 0年曾尝试建立火箭梁单元模型及载荷
10、边界条件形成火箭简化力学模型,并开发软件用于快速计算结构载荷及质量。该方法虽然将结构质量与载荷条件关联起来,但简化的梁单元模型依然无法准确预示实际火箭部段结构形式的质量。对于重复使用火箭和超大尺寸重型火箭这类突破传统设计准则和尺寸规模的新型火箭,传统质量分配方法误差可能非常大。为此,本文提取典型结构形式的关键尺寸特征,建立火箭结构质量参数化模型,依据结构强度和刚度设计理论进行载荷校核,开发基于载荷变化的全箭结构估重平台并嵌人总体设计回路中形成总体估重数字化模块。结构估重平台凝练了结构详细设计过程中的关键要素,等同于将结构精算工作提前并取代粗算,将原来的人力设计、分析校核和汇总传递工作全部实现计
11、算机自动化,解算速度呈量级提高,可以更为快速准确地预示结构质量,更好地服务于总体方案论证。基于该模块还可以开展与结构质量相关的总体方案影响分析和优化设计。1火箭结构估重流程传统运载火箭设计模式下,总体运载能力优化论证时,需要通过总体方案设计和结构详细设计开展多轮迭代,才能确定最优的总体设计方案,火箭结构估重与总体优化设计的数字化实现及应用链路关系见图3。结构估重平台开发技术路线的核心是:1)载荷处理;2)结构参数化表征;3)结构参数确定及优化。载荷处理即根据结构承载特点确定用于结构强度和刚度校核的最大载荷工况,可能是一个或多个。载荷文件一般按照分站位置和特征时刻以数表的形式给出。人工载荷处理较
12、多的依靠设计人员经验,从大量的数据中选取若干可能的最大工况,最忌遗漏工况。载荷的数字化处理可以很好39具体流程见图1,论证链路较长,效率较低5总体方案设计层编制载荷文件和结构要求总体方案设计层运载能力评估总体方案设计层子级质量计算图1 基于传统结构估重的总体论证Fig.1 Overall scheme argumentation based ontraditional structural weight estimation我国运载火箭经过几十年的发展,结构估重数字化实现具备一定的技术基础。首先,箭体结构形式基本相同,壳段通常为蒙皮桁条半硬壳式或夹层结构,贮箱短壳通常为正置正交网格,贮箱筒段通
13、常为等边三角形或光筒,箱底通常为椭球底。其次,结构力学和材料力学理论成熟,研制过程中积累了大量的知识,形成了材料库、结构设计规范和工程经验6-8 ,为快速估重计算数字化模块开发提供了良好的技术支撑。估重平台开发技术路线见图2。通过该技术路线,可将结构质量相关的总体方案论证工作闭环在总体方案设计层内部,缩短设计链路,提升论证效率,估重平台作为总体估重数字化模块在总体设计回路中的结构详细设计层处理载荷文件结构详细设计层结构初步设计结构详细设计层结构质量设计40宇航总体技术2024年1 月载荷处理方法研究结构参数化表征方法研究壳段蒙皮桁条半硬壳式结构参数确定方法集中力承载壳段参数确定方法贮箱夹层结构
14、内压设计贮箱集中力承载短壳箱底结构参参数确定方法简段结构参数参数确定方法数确定方法确定方法网格参数优化设计方法电气、增压输送、总装零件等估重方法研究质量特性计算及合成方法研究软件平台实现估重方法固化材料性能数据典型火箭质量数据估重方法及平台应用图2 估重平台开发技术路线Fig.2 Technical route of the weight estimation platform火箭梁单元模型等简化方式,本文提出的方法更总体方案设计层编制载荷文件总体方案设计层总体方案设计层估重及子级质量运载能力评估计算图3基于估重数字化模块的总体论证Fig.3Overall scheme argumentati
15、on based onstructural weight estimation digital module地解决这个问题,只需约定好数据存储和读取的格式,就可以读取所有载荷工况并进行排序,确定最大工况。结构参数化表征是结构估重数字化的关键。依据现有工程技术基础,提炼出结构主承载形式的数字化表征,详见后文参数化建模部分。相比接近真实结构设计形式,仅忽略了一些不影响承载和估重精度的细节,例如结构上的局部开口和安装支架等,完全可以满足总体方案设计需求,且求解速度为秒级。结构参数确定及优化的依据是载荷校核情况。将结构设计过程抽象为含约束的优化模型,其设计变量为上述结构参数,约束条件为结构强度和刚度等
16、设计要求,目标函数为结构质量。估重平台在实现上述3大核心技术的基础上整合结构质量之外的火箭各系统质量实现全箭质量管理,并扩展功能,使其便于可视化操作、方案对比及推广应用。2估重平台设计与实现2.1估重平台功能为满足运载火箭构型论证阶段快速估重需求,第1 期估重平台要求能够依据输人载荷条件,给定的整体尺寸参数及选定的结构形式进行结构尺寸计算,给出相应结构尺寸及结构剩余强度系数,并计算得到各部分结构的质量特性,最终叠加给出火箭整体质量特性。估重平台功能描述如下:1)依据主要输人数据,比如加注量、直径、轴压、弯矩、内压等参数,估计结构质量。2)给出满足强度和刚度等设计条件的贮箱和舱段的结构形式和质量
17、特性。3)参数化建模,可以输入不同的条件和有关约束,获得更新的结构形式和估重结果。4)提供不同结构形式、材料等选项,可以通过选择不同的材料、结构加强形式等获取相应的估重结果。5)进行质量管理,除全箭主结构外,还对部分直属件、电气产品和动力系统产品的质量进行管理,综合计算全箭质量特性。2.2估重平台构架为了保证系统的实用性和通用性,同时也便于使用和维护,估重平台采用分层架构思想,主要分为3个层次:表示层、功能层和数据层。3个层次之间的关系如图4所示。表示层模型参数输人可视化可视化1功能层参数化建模模块任务设计与分析模块质量合成模块数据库模块数据层求解参数分析结果数据数据图4估重平台构架Fig.4
18、Frame of the weight estimation platform1)表示层:包括模型可视化、参数输入可视化、分析结果可视化和任务结构可视化等模块。火箭结构估重与总体优化设计的数字化实现及应用据、其他相关数据。2.3参数化建模为了准确描述结构关键尺寸特征,对火箭整流罩、贮箱、锥段、筒段壳体和承力尾段均进行参数化建模。以典型结构形式为例,对参数化模型进行介绍。2.3.1整流罩端头帽参数化整流罩端头帽参数化表征基本参数见图5,具体参数定义见表1。分析结果任务结构可视化可视花其他相关数据412)功能层:包括参数化建模模块、任务设计与分析模块、质量合成模块、数据库模块。其中,参数化建模模块
19、分为贮箱参数化建模、整流罩参数化建模、典型壳段参数化建模、承力尾段参数化建模;任务设计与分析模块分为贮箱任务设计与分析、整流罩任务设计与分析、典型壳段任务设计与分析、承力尾段任务设计与分析;质量合成模块分为组件质量合成、子级质量合成、全箭质量合成、全箭质量管理;数据库模块包含材料数据库、构型质量特性数据库。3)数据层:包括求解参数数据、分析结果数一图5整流罩端头帽参数化模型Fig.5Fairing head-nose parametric model表1 端头帽参数化定义Tab.1Head-nose parametric definition整流罩端头帽2.3.2蜂窝夹心锥壳段参数化蜂窝夹心锥
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