装药防护结构外隔热方案自动优化研究

汪 衡，程 伟，刘俞平，王昭明

(重庆红宇精密工业有限责任公司， 重庆 402760)

导弹高速飞行时，头部产生很强的斜激波，气流通过激波后在头部附近急剧压缩，温度上升，此现象会导致导弹在飞行过程中发生烧蚀或带来其他不利影响。尤其在头部区域，气流动能几乎全部转化为内能，这导致边界层向壁面传热的热流密度迅速增大，温度急剧升高。当头部温度传至战斗部时，温度也较高，在2～3Ma时，战斗部的温度可达到100～200 ℃左右，很可能会使装药融化，失去应有性能[1-2]。因而对战斗部装药结构的隔热防护研究极为重要。

传统研究装药结构的隔热防护问题主要是通过独立的CAE软件进行不同隔热厚度逐步缩小范围计算，通常需要数十次才能较为准确计算出满足温度要求的最小隔热层厚度，每次计算均需重新建模，重新划分网格，重新设置边界条件进行求解，而且与工程师的仿真经验有很大关系，计算效率低下[3-4]。为解决上述问题，本文以模拟战斗部装药热防护结构的外隔热方案为例，介绍一种基于HyperStudy多学科优化平台联合Ansys软件进行隔热厚度的优化方法，通过对提取的响应设定质量最小化目标和装药所有节点温度最大值约束，实现快速自动优化满足要求的最优隔热方案。

1 优化方法及原理

通常用的联合优化方法主要有：自适应响应面法(ARSM)、可行方向法(MFD)、遗传算法(GA)、全局响应面法(GRSM)等。对于相对简单、规则的模型，选用自适应响应面法(ARSM)进行优化，计算效率较高，收敛速度较快，且计算精度也能接受。自适应响应面方法(ARSM)是将响应面模型和试验设计相结合的一种优化设计方法。它根据一定采样规律获得样本点，分别构造目标函数和约束条件的一阶或二阶响应面模型，针对目标函数响应面模型进行全局寻优。在每一步迭代求得最优解后，将最优点在实际模型(或近似模型)中的响应值与所有试验设计样本点的响应值进行比较，如果最优点的响应值优于所有样本点的响应值，则将最优点加入样本点中参与下一迭代步的计算。在每一步迭代结束后，算法会按照一定原则缩小设计空间。在新的设计空间内重新构建响应面模型进行下一步迭代，直到满足收敛条件为止[9-10]。应用 HyperStudy进行优化设计的详细过程如图1所示。

2 隔热层厚度自动优化仿真分析

2.1 定义优化问题

一个优化问题通常由目标函数、设计变量和约束函数三要素组成。本文首先建立一个在Ansys软件中能完全自动求解得到温度分布的有限元模型，输出为.cdb文件。然后将该文件导入HyperMesh中，利用HyperMorph模块中的Create domains、move handles等功能创建隔热厚度的形状变量，该形状变量为由原始模型中的隔热厚度3 mm基础上向外法线方向加厚2 mm，如图2所示。

厚度形状变量在HyperStudy中定义为设计变量时，上下限设定为[-1，1]，即隔热厚度可沿法线方向变薄/厚2.0 mm。最后利用tool中的shape功能建立隔热层厚度形状变量并输出为.shp文件，输出时需注意确定为基于HyperStudy分析和Ansys求解的文件，如图3所示。

2.2 隔热层厚度自动优化基本模型的建立

在进行隔热层厚度优化之前需建立一个基本分析模型，该模型可通过HyperMesh软件建立，然后应用菜单中的链接直接进入到HyperStudy中设置，也可以在HyperStudy软件中建立Template模板文件，还可以通过Excel工具建立一些简单的分析模型。本文所研究的模型为模拟战斗部典型装药热防护结构中外隔热方案的热传导过程模型，该模型由壳体、内部结构及隔热层三部分组成。防护结构仿真模型外径300 mm，长度500 mm，壁厚30 mm。由于结构完全对称，因而采用二维轴对称模型进行有限元求解。另外，施加温度边界条件为：初始环境温度50 ℃，施加温度边界为200 ℃，温升速率为10 ℃/min，隔热层材料采用常用的聚氨酯隔热材料。为快速自动优化得到满足装药结构温度要求的隔热层厚度最小值，需建立隔热层可变化的范围，即需建立一个表征隔热层变化的形状变量。本文采用第二种方法建立以隔热层厚度为形状变量的模板文件。

建立好优化所需的模板文件后，需通过.bat批处理文件在HyperStudy中注册Ansys求解器。注册时需注意，批处理文件除需要调用Ansys本身求解器外，还需调用HyperWorks的转换工具hvtrans.exe将所关注的部件由.rth格式转换为.h3d格式文件，因为如果直接用HyperStudy中的工具提取.rth结果文件中装药结构温度的最大值时与专业后处理工具所显示的结果存在偏差，而将其结果文件中装药结构部分转换成.h3d文件之后与专业后处理软件中显示的结果无偏差。除此之外，还需编写脚本语言提取.out文件中的mass对应的两行数据，以方便提取质量响应，大大提高提取响应的效率。

在注册好求解器并建立好模板文件后需调用Ansys软件进行一次基本模型的求解。求解得到整体温度分布云图和装药结构温度分布云图如图4和图5所示。

进行一次基本模型的计算后便是提取响应变量。本文所需提取优化相关的两个响应变量是内部结构所有节点温度的最大值和整体的质量，提取所得的值如图6所示，与后处理软件显示的结果一致。

2.3 隔热层厚度优化分析

将提取响应变量中的质量最小化作为目标函数，内部结构所有节点温度最大值约束≤70 ℃。使用HyperStudy软件和Ansys软件进行联合求解，选取效率高、收敛快、精度较高的自适应响应面方法进行优化。经过5次迭代得到计算结果统计如图7所示，第5次计算后满足温度约束要求。质量目标响应优化曲线及内部结构温度响应优化曲线如图8和图9所示，横坐标为迭代优化次数，纵坐标为每次迭代优化相应的内部结构温度最大值。经过优化计算后得到隔热层的厚度为4.06 mm，满足装药结构最大温度值≤70 ℃的约束要求，对应的温度分布云图如图10～图11所示。

3 防护结构隔热方案验证

防护结构为模拟装药结构壁厚最薄的圆柱段，主要由壳体、盖板、内部结构、隔热层等组成，其结构示意图如图12。由于通过HyperStudy与Ansys联合优化得到在壳体外壁涂覆4.06 mm聚氨酯隔热材料可满足内部结构所有节点温度最大值约束≤70 ℃的要求。为验证联合优化方法是否可应用于防护结构中隔热方案的研究，确定试验方案时参照仿真计算结果在防护结构壳体外表面涂覆4.1 mm聚氨酯隔热材料。

在防护结构表面缠绕加热薄膜，由温控仪控制加热膜的温升速率，将防护结构中引出的微型热电偶通过温度补偿线连接于温度记录仪，用于监控内部结构温度的变化。

试验现场如图13所示，升温规律与仿真计算条件一致：初始温度为50 ℃，施加温度边界为200 ℃，温升速率为10 ℃/min。

通过传感器测得防护结构内部温度最大值点亦为壳体与盖板连接转角处，试验结果与仿真结果如表1所示。

表1 试验结果与仿真结果

由表1试验结果略低于仿真结果，相对误差在5%以内。因而可以说明通过联合优化得到的结果可用于气动热环境下防护结构中隔热方案的研究。

4 结论

1) 通过HyperStudy和Ansys程序联合优化仿真计算气动热环境下隔热防护结构中以整体质量为响应目标函数，内部结构温度最大值为约束对隔热层厚度进行自动优化，使用该方法可实现快速自动优化满足内部结构温度最大值约束要求的隔热层最小厚度。

2) 通过试验验证了测试结果与仿真联合优化结果基本一致，相对误差在5%以内。说明通过联合优化得到的结果可用于装药热防护结构中隔热方案的研究。

3) 通过联合优化方法仅需计算5次便可得到结果，且不受个人水平的影响，而传统的独立使用CAE进行求解至少需要计算10次以上才能得到所需结果，提高计算效率至少50%。