本發(fā)明涉及高速飛行器的隔熱領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于bootstrap抽樣的隔熱結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隔熱結(jié)構(gòu)是保護(hù)高速飛行器安全工作和完成各項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵因素，有效的隔熱結(jié)構(gòu)可以滿足高速飛行器防熱和隔熱的基本需求，使其免于極端氣動(dòng)熱環(huán)境的傷害。高速飛行器多層隔熱結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其隔熱結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)主要包括抗燒蝕層k、隔熱層g、承載層c， h k、 h g、 h c分別為抗燒蝕層、隔熱層、承載層的厚度， t h為抗燒蝕層外部的溫度載荷， t l為艙內(nèi)的環(huán)境溫度， t in為承載層內(nèi)表面的溫度， t out為抗燒蝕層外表面的溫度。在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)，高速飛行器在飛行中所承受的極端高溫?zé)岘h(huán)境通過強(qiáng)制對(duì)流換熱方式對(duì)多層隔熱結(jié)構(gòu)的耐高溫層進(jìn)行加熱，同時(shí)耐燒灼層又向外部空間進(jìn)行輻射散熱，排走部分熱量。余下熱量中的主要熱量被隔熱層阻擋，小部分熱量由耐燒灼層自身材料進(jìn)行吸收、存儲(chǔ)并傳遞給基層，基層結(jié)構(gòu)與內(nèi)部空氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱。多層隔熱結(jié)構(gòu)隔熱性能的優(yōu)劣主要取決于隔熱層材料參數(shù)和各層厚度尺寸，整體結(jié)構(gòu)的等效力學(xué)性能主要由基層材料參數(shù)決定，因此基層有時(shí)候根據(jù)其功能又稱為承力層。但是，目前在高速飛行器多層隔熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，其側(cè)重點(diǎn)各有千秋，而目前比較成熟的技術(shù)主要分為以下幾類：

2、一是在高速飛行器多層隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要側(cè)重于確定材料參數(shù)下考慮材料類型選擇進(jìn)行多層隔熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如專利申請(qǐng)名稱為“一種高速飛行器多層隔熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”，該案主要是通過考慮各層材料選擇建立優(yōu)化模型，達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化的目的；

3、二是在對(duì)高速飛行器多層隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要側(cè)重于仿生優(yōu)化方法的考慮，如專利申請(qǐng)名稱為“針對(duì)防隔熱一體化結(jié)構(gòu)熱防護(hù)方案的優(yōu)化方法及系統(tǒng)”，該案主要是通過粒子群算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得各層的優(yōu)化厚度；

4、三是在對(duì)高速飛行器多層隔熱結(jié)構(gòu)，主要側(cè)重于非穩(wěn)態(tài)傳熱方程的求解考慮，如專利申請(qǐng)名稱為“一種空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)快速分析與設(shè)計(jì)方法”，該案主要是通過一維熱傳導(dǎo)有限差分格式求解一維非穩(wěn)態(tài)傳熱方程，達(dá)到獲得結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)的目標(biāo)，以輕量化為目標(biāo)對(duì)各層厚度進(jìn)行優(yōu)化。

5、但采用上述三種方法在對(duì)高速飛行器多層隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于都未考慮材料參數(shù)和溫度載荷不確定性的，而在實(shí)際應(yīng)用中，因材料性能和載荷與理論設(shè)計(jì)值相比都有一定的不確定性，這使得隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來后會(huì)存在優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不一致的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點(diǎn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種基于bootstrap抽樣的隔熱結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化方法，包括：

3、s1、基于實(shí)際需求設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模型參數(shù)和不確定分布參數(shù)；

4、s2、在粒子群優(yōu)化pso方法中，針對(duì)種群中的每個(gè)粒子，產(chǎn)生 k1組不確定變量參數(shù)樣本，再根據(jù)傳熱方程和邊界條件對(duì)種群中的每個(gè)粒子進(jìn)行計(jì)算，以得到 k1組承載層內(nèi)表面的溫度和等效模量；

5、s3、基于bootstrap抽樣方法，將、擴(kuò)展到 k2組承載層內(nèi)表面的溫度和等效模量，通過統(tǒng)計(jì)、遍歷得到當(dāng)前迭代種群中所有粒子的失效概率，以作為優(yōu)化目標(biāo)的可靠性約束條件；

6、s4、基于s1中的模型參數(shù)、不確定分布參數(shù)，通過對(duì)可靠性優(yōu)化模型求解，以得到隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量；

7、其中，在s2中，所述粒子指抗燒蝕層、承載層、隔熱層的厚度尺寸。

8、侁選的是，在s1中，所述模型參數(shù)包括：允許最小等效模量 e min、承載層最大允許溫度、艙內(nèi)的環(huán)境溫度 t l、抗燒蝕層外部的溫度載荷 t h、抗燒蝕層的最小厚度 x1min、抗燒蝕層的最大厚度 x1max、承載層的最小厚度 x2min、承載層的最大厚度 x2max、隔熱層的最小厚度 x3min、隔熱層的最大厚度 x3max、抗燒蝕層外表面與溫度載荷之間的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)、承載層內(nèi)表面與常溫靜態(tài)流體之間的自然對(duì)流換熱系數(shù)、停止計(jì)算時(shí)刻 t end、允許的最小等效模量 e min、最大允許失效概率 p max、第一組不確定變量參數(shù)樣本的個(gè)數(shù) k1、第二組不確定變量參數(shù)樣本的個(gè)數(shù) k2；

9、所述不確定分布參數(shù)包括：溫度載荷變異系數(shù)、 e k為抗燒蝕層k的楊氏模量、 e g為隔熱層g的楊氏模量、 e c為承載層c的楊氏模量。

10、侁選的是，在s2中，所述傳熱方程通過下式進(jìn)行表征：

11、

12、上式中， t為溫度，t為時(shí)間， ρ為密度， β為比熱容，為熱導(dǎo)率， z為厚度方向坐標(biāo)；

13、所述邊界條件通過下式進(jìn)行表征：

14、

15、上式中，為抗燒蝕層材料的熱導(dǎo)率參數(shù)， h k-htf為抗燒蝕層外表面與溫度載荷之間的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)， ε為發(fā)射率， σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)， t out為抗燒蝕層外表面的溫度，為承載層材料熱導(dǎo)率參數(shù)， h c-ntf為承載層內(nèi)表面與常溫靜態(tài)流體之間的自然對(duì)流換熱系數(shù)，為溫度t對(duì)空間坐標(biāo)z的梯度，t為時(shí)間， h k為抗燒蝕層厚度， h g為隔熱層厚度， h c為承載層厚度，為t時(shí)刻的承載層內(nèi)表面的溫度， t l為艙內(nèi)的環(huán)境溫度；

16、等效模量通過下式進(jìn)行表征：

17、上式中， e k為抗燒蝕層k的楊氏模量， e g為隔熱層g的楊氏模量， ec為承載層c的楊氏模量；

18、其中，所述為k1組不同參數(shù)下計(jì)算得到的k1組內(nèi)表面溫度響應(yīng)，基于傳熱方程和邊界條件，通過matlab中的?pde?函數(shù)求解計(jì)算得到。

19、侁選的是，在s3中，所述失效概率的獲取流程包括：

20、s30、對(duì)于觀測(cè)樣本，令， i=1,2,… n，且 n= k 1，為未知的分布函數(shù)，則觀測(cè)樣本構(gòu)造的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù) f n通過下式進(jìn)行表征：

21、

22、上式中，是將 x1, x2,…, x n從小到大排序后得到的順序統(tǒng)計(jì)量， k=1,2,…,n-1；

23、s31、取具有dirichlet分布的隨機(jī)變量進(jìn)行樣本抽取，得到再生的自助樣本，且 n= k2，；

24、s32、通過下式進(jìn)行誤差估計(jì)：

25、上式中，是自助樣本的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)， r n是隨機(jī)變量和 f n的函數(shù)，為總體參數(shù)的估計(jì)值，且；

26、s33、進(jìn)行未知參數(shù)估計(jì)，并重復(fù)s30~s33以得到所求參數(shù)的平穩(wěn)值；

27、s33、基于和統(tǒng)計(jì)得到對(duì)應(yīng)粒子的失效概率 p f，通過遍歷種群中的所有粒子，得到本次迭代種群中所有粒子的失效概率。

28、侁選的是，在s4中，所述可靠性優(yōu)化模型通過下式進(jìn)行表征：

29、

30、

31、上式中， x表示待優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，t為時(shí)間， ρ obj為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)， x min為設(shè)計(jì)變量下限， x max為設(shè)計(jì)變量上限，、、分別為不確定分布參數(shù)中的變量，且、、，、、分別為、、服從的概率密度函數(shù)， t h為抗燒蝕層外部的溫度載荷，為 t h在t時(shí)刻服從的概率密度函數(shù)， t end為停止計(jì)算時(shí)刻， θ max為承載層最大允許溫度， e min為允許最小等效模量， p max為允許的最大失效概率， e eff為等效模量， t in承載層內(nèi)表面的溫度， p f為對(duì)應(yīng)粒子的失效概率，、、分別為抗燒蝕層、隔熱層、承載層材料的熱導(dǎo)率參數(shù)， β k、 β g、 β c分別為抗燒蝕層、隔熱層、承載層材料的比熱容。

32、本發(fā)明至少包括以下有益效果：本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，在高速飛行器的多層隔熱類結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，通過將失效概率約束條件引入優(yōu)化設(shè)計(jì)模型之中，解決可靠性約束下的隔熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，得到的方案更符合實(shí)際應(yīng)用的需求，有效降低使用中的失效風(fēng)險(xiǎn)。

33、本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。