裝藥防護(hù)結(jié)構(gòu)外隔熱方案自動優(yōu)化研究

汪 衡，程 偉，劉俞平，王昭明

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 402760)

導(dǎo)彈高速飛行時，頭部產(chǎn)生很強(qiáng)的斜激波，氣流通過激波后在頭部附近急劇壓縮，溫度上升，此現(xiàn)象會導(dǎo)致導(dǎo)彈在飛行過程中發(fā)生燒蝕或帶來其他不利影響。尤其在頭部區(qū)域，氣流動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這導(dǎo)致邊界層向壁面?zhèn)鳠岬臒崃髅芏妊杆僭龃?，溫度急劇升高。?dāng)頭部溫度傳至戰(zhàn)斗部時，溫度也較高，在2～3Ma時，戰(zhàn)斗部的溫度可達(dá)到100～200 ℃左右，很可能會使裝藥融化，失去應(yīng)有性能[1-2]。因而對戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)的隔熱防護(hù)研究極為重要。

傳統(tǒng)研究裝藥結(jié)構(gòu)的隔熱防護(hù)問題主要是通過獨(dú)立的CAE軟件進(jìn)行不同隔熱厚度逐步縮小范圍計(jì)算，通常需要數(shù)十次才能較為準(zhǔn)確計(jì)算出滿足溫度要求的最小隔熱層厚度，每次計(jì)算均需重新建模，重新劃分網(wǎng)格，重新設(shè)置邊界條件進(jìn)行求解，而且與工程師的仿真經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，計(jì)算效率低下[3-4]。為解決上述問題，本文以模擬戰(zhàn)斗部裝藥熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的外隔熱方案為例，介紹一種基于HyperStudy多學(xué)科優(yōu)化平臺聯(lián)合Ansys軟件進(jìn)行隔熱厚度的優(yōu)化方法，通過對提取的響應(yīng)設(shè)定質(zhì)量最小化目標(biāo)和裝藥所有節(jié)點(diǎn)溫度最大值約束，實(shí)現(xiàn)快速自動優(yōu)化滿足要求的最優(yōu)隔熱方案。

1 優(yōu)化方法及原理

通常用的聯(lián)合優(yōu)化方法主要有：自適應(yīng)響應(yīng)面法(ARSM)、可行方向法(MFD)、遺傳算法(GA)、全局響應(yīng)面法(GRSM)等。對于相對簡單、規(guī)則的模型，選用自適應(yīng)響應(yīng)面法(ARSM)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算效率較高，收斂速度較快，且計(jì)算精度也能接受。自適應(yīng)響應(yīng)面方法(ARSM)是將響應(yīng)面模型和試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。它根據(jù)一定采樣規(guī)律獲得樣本點(diǎn)，分別構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)和約束條件的一階或二階響應(yīng)面模型，針對目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)面模型進(jìn)行全局尋優(yōu)。在每一步迭代求得最優(yōu)解后，將最優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際模型(或近似模型)中的響應(yīng)值與所有試驗(yàn)設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行比較，如果最優(yōu)點(diǎn)的響應(yīng)值優(yōu)于所有樣本點(diǎn)的響應(yīng)值，則將最優(yōu)點(diǎn)加入樣本點(diǎn)中參與下一迭代步的計(jì)算。在每一步迭代結(jié)束后，算法會按照一定原則縮小設(shè)計(jì)空間。在新的設(shè)計(jì)空間內(nèi)重新構(gòu)建響應(yīng)面模型進(jìn)行下一步迭代，直到滿足收斂條件為止[9-10]。應(yīng)用 HyperStudy進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程如圖1所示。

2 隔熱層厚度自動優(yōu)化仿真分析

2.1 定義優(yōu)化問題

一個優(yōu)化問題通常由目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束函數(shù)三要素組成。本文首先建立一個在Ansys軟件中能完全自動求解得到溫度分布的有限元模型，輸出為.cdb文件。然后將該文件導(dǎo)入HyperMesh中，利用HyperMorph模塊中的Create domains、move handles等功能創(chuàng)建隔熱厚度的形狀變量，該形狀變量為由原始模型中的隔熱厚度3 mm基礎(chǔ)上向外法線方向加厚2 mm，如圖2所示。

厚度形狀變量在HyperStudy中定義為設(shè)計(jì)變量時，上下限設(shè)定為[-1，1]，即隔熱厚度可沿法線方向變薄/厚2.0 mm。最后利用tool中的shape功能建立隔熱層厚度形狀變量并輸出為.shp文件，輸出時需注意確定為基于HyperStudy分析和Ansys求解的文件，如圖3所示。

2.2 隔熱層厚度自動優(yōu)化基本模型的建立

在進(jìn)行隔熱層厚度優(yōu)化之前需建立一個基本分析模型，該模型可通過HyperMesh軟件建立，然后應(yīng)用菜單中的鏈接直接進(jìn)入到HyperStudy中設(shè)置，也可以在HyperStudy軟件中建立Template模板文件，還可以通過Excel工具建立一些簡單的分析模型。本文所研究的模型為模擬戰(zhàn)斗部典型裝藥熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中外隔熱方案的熱傳導(dǎo)過程模型，該模型由殼體、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及隔熱層三部分組成。防護(hù)結(jié)構(gòu)仿真模型外徑300 mm，長度500 mm，壁厚30 mm。由于結(jié)構(gòu)完全對稱，因而采用二維軸對稱模型進(jìn)行有限元求解。另外，施加溫度邊界條件為：初始環(huán)境溫度50 ℃，施加溫度邊界為200 ℃，溫升速率為10 ℃/min，隔熱層材料采用常用的聚氨酯隔熱材料。為快速自動優(yōu)化得到滿足裝藥結(jié)構(gòu)溫度要求的隔熱層厚度最小值，需建立隔熱層可變化的范圍，即需建立一個表征隔熱層變化的形狀變量。本文采用第二種方法建立以隔熱層厚度為形狀變量的模板文件。

建立好優(yōu)化所需的模板文件后，需通過.bat批處理文件在HyperStudy中注冊Ansys求解器。注冊時需注意，批處理文件除需要調(diào)用Ansys本身求解器外，還需調(diào)用HyperWorks的轉(zhuǎn)換工具h(yuǎn)vtrans.exe將所關(guān)注的部件由.rth格式轉(zhuǎn)換為.h3d格式文件，因?yàn)槿绻苯佑肏yperStudy中的工具提取.rth結(jié)果文件中裝藥結(jié)構(gòu)溫度的最大值時與專業(yè)后處理工具所顯示的結(jié)果存在偏差，而將其結(jié)果文件中裝藥結(jié)構(gòu)部分轉(zhuǎn)換成.h3d文件之后與專業(yè)后處理軟件中顯示的結(jié)果無偏差。除此之外，還需編寫腳本語言提取.out文件中的mass對應(yīng)的兩行數(shù)據(jù)，以方便提取質(zhì)量響應(yīng)，大大提高提取響應(yīng)的效率。

在注冊好求解器并建立好模板文件后需調(diào)用Ansys軟件進(jìn)行一次基本模型的求解。求解得到整體溫度分布云圖和裝藥結(jié)構(gòu)溫度分布云圖如圖4和圖5所示。

進(jìn)行一次基本模型的計(jì)算后便是提取響應(yīng)變量。本文所需提取優(yōu)化相關(guān)的兩個響應(yīng)變量是內(nèi)部結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)溫度的最大值和整體的質(zhì)量，提取所得的值如圖6所示，與后處理軟件顯示的結(jié)果一致。

2.3 隔熱層厚度優(yōu)化分析

將提取響應(yīng)變量中的質(zhì)量最小化作為目標(biāo)函數(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)溫度最大值約束≤70 ℃。使用HyperStudy軟件和Ansys軟件進(jìn)行聯(lián)合求解，選取效率高、收斂快、精度較高的自適應(yīng)響應(yīng)面方法進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過5次迭代得到計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖7所示，第5次計(jì)算后滿足溫度約束要求。質(zhì)量目標(biāo)響應(yīng)優(yōu)化曲線及內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)優(yōu)化曲線如圖8和圖9所示，橫坐標(biāo)為迭代優(yōu)化次數(shù)，縱坐標(biāo)為每次迭代優(yōu)化相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度最大值。經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后得到隔熱層的厚度為4.06 mm，滿足裝藥結(jié)構(gòu)最大溫度值≤70 ℃的約束要求，對應(yīng)的溫度分布云圖如圖10～圖11所示。

3 防護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱方案驗(yàn)證

防護(hù)結(jié)構(gòu)為模擬裝藥結(jié)構(gòu)壁厚最薄的圓柱段，主要由殼體、蓋板、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、隔熱層等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖12。由于通過HyperStudy與Ansys聯(lián)合優(yōu)化得到在殼體外壁涂覆4.06 mm聚氨酯隔熱材料可滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)溫度最大值約束≤70 ℃的要求。為驗(yàn)證聯(lián)合優(yōu)化方法是否可應(yīng)用于防護(hù)結(jié)構(gòu)中隔熱方案的研究，確定試驗(yàn)方案時參照仿真計(jì)算結(jié)果在防護(hù)結(jié)構(gòu)殼體外表面涂覆4.1 mm聚氨酯隔熱材料。

在防護(hù)結(jié)構(gòu)表面纏繞加熱薄膜，由溫控儀控制加熱膜的溫升速率，將防護(hù)結(jié)構(gòu)中引出的微型熱電偶通過溫度補(bǔ)償線連接于溫度記錄儀，用于監(jiān)控內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度的變化。

試驗(yàn)現(xiàn)場如圖13所示，升溫規(guī)律與仿真計(jì)算條件一致：初始溫度為50 ℃，施加溫度邊界為200 ℃，溫升速率為10 ℃/min。

通過傳感器測得防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度最大值點(diǎn)亦為殼體與蓋板連接轉(zhuǎn)角處，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果

由表1試驗(yàn)結(jié)果略低于仿真結(jié)果，相對誤差在5%以內(nèi)。因而可以說明通過聯(lián)合優(yōu)化得到的結(jié)果可用于氣動熱環(huán)境下防護(hù)結(jié)構(gòu)中隔熱方案的研究。

4 結(jié)論

1) 通過HyperStudy和Ansys程序聯(lián)合優(yōu)化仿真計(jì)算氣動熱環(huán)境下隔熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中以整體質(zhì)量為響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度最大值為約束對隔熱層厚度進(jìn)行自動優(yōu)化，使用該方法可實(shí)現(xiàn)快速自動優(yōu)化滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度最大值約束要求的隔熱層最小厚度。

2) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證了測試結(jié)果與仿真聯(lián)合優(yōu)化結(jié)果基本一致，相對誤差在5%以內(nèi)。說明通過聯(lián)合優(yōu)化得到的結(jié)果可用于裝藥熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中隔熱方案的研究。

3) 通過聯(lián)合優(yōu)化方法僅需計(jì)算5次便可得到結(jié)果，且不受個人水平的影響，而傳統(tǒng)的獨(dú)立使用CAE進(jìn)行求解至少需要計(jì)算10次以上才能得到所需結(jié)果，提高計(jì)算效率至少50%。