考虑瞬态效应的承载隔热多功能结构拓扑优化

来源：计算力学学报杂志2022年第2期北京时间：

作者：吴书豪,张永存,刘书田

单位：大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 大连 116024,大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 大连 116024,大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 大连 116024

摘要：同时满足承载和隔热要求的多功能结构在高超飞行器热防护结构设计中倍受关注。实际隔热材料通常承载能力弱,而高承载材料隔热性能差,如何在有限空间内协同结构的承载与隔热成为关键问题。高超飞行器气动加热时间有限,存在加热时间短、热荷载变化大的特点。因此结构设计需要考虑时间因素和瞬态效应,而现有稳态传热与承载的多功能协同优化设计模型无法解决上述问题。为此,本文建立了考虑瞬态效应的承载隔热多功能结构拓扑优化的设计模型和求解方法,给出了目标和约束的解析敏度计算格式。该方法以密度法为基础,考虑体积约束,通过以结构柔顺性最小为设计目标,同时以区域温度控制函数为设计约束,实现结构刚度与隔热多功能设计要求。具体的算例表明,本文提出的优化模型能够准确考虑结构的瞬态效应,实现在给定许用温度和工作时间条件下隔热和承载的多功能协同设计。

关键词：热防护结构,隔热-承载一体化,拓扑优化,瞬态热传导,最高温度控制,

基金资助：国家自然科学基金(U1808215;11972105);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目.