一种变密度多层绝热材料的最优组合方法及系统

1.本发明涉及低温绝热材料技术领域，特别是涉及一种变密度多层绝热材料的最优组合方法及系统。


背景技术：

2.变密度多层绝热材料(variable－density multilayer insulation，简称“vd-mli”)，由于其良好的绝热性能，是液氢温区以下的最基本绝热类型。根据间隔物厚度的变化情况不同，vd-mli可分为定间隔物厚度型及变间隔物厚度型，变间隔物厚度型vd-mli是通过分区控制间隔物的厚度实现变密度效果，但反射屏与间隔物层数比例始终为1:1；定间隔物厚度型vd-mli是通过控制反射屏与间隔物层数比例变化实现变密度，但间隔物单体的厚度始终保持恒定。
3.对于变间隔物厚度型vd-mli已有大量的学者对其进行了研究，其搭配方式已经得到了一定程度的优化。但对于定间隔物厚度型的vd-mli，对其最优搭配尚缺乏一定的研究。基于定间隔物厚度型的vd-mli优化中，有部分专利提出以基本设计单元的重复次数作为设计参数，获得所有厚度下的vd-mli的不同搭配，采用函数化的性能计算方法，对不同搭配进行高精度仿真，获得了不同目标层数下，不同厚度时的最小热流密度搭配方案。但由于使用此方法必须要通过编程建立起一系列仿真函数及数据操作流程，不利于广大工程设计人员的使用；其次由于穷举法的设计参数过多，经过高精度仿真需要花费大量的时间，在层数较多的情况下不利于快速获得最优搭配。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种变密度多层绝热材料的最优组合方法及系统，旨在解决现有对变密度多层绝热材料的搭配方案优化效率低的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种变密度多层绝热材料的最优组合方法，包括：
7.获取变密度多层绝热材料的基本设计单元；所述基本设计单元为反射屏与间隔物层数比例；
8.将不同基本设计单元的重复次数为待优化设计参数；
9.对待优化设计参数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
10.优选的，所述对待优化设计参数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合，包括：
11.获取目标层数和至少三个不同的基本设计单元；其中，一个基本设计单元即为变密度多层绝热材料的一层；
12.根据所述目标层数和所述基本设计单元构建优化函数；
13.利用所述待优化设计参数对所述优化函数进行优化得到热流密度最小时的变密
度多层绝热材料搭配组合。
14.优选的，所述优化函数为：
15.mli(p)＝[(e1,p1),(e2,p2),(e3,p3)]
[0016]
其中，e1为第一基本设计单元，e2为第二基本设计单元，e3为第三基本设计单元，且e1＝[a,g]，e2＝[a,g,g]，e3＝[a,g,g,g]，a代表反射屏，g代表间隔物，p1表示第一基本设计单元的重复次数即第一待优化设计参数，p2表示第二待优化设计参数，p3表示第三待优化设计参数。
[0017]
优选的，所述利用所述待优化设计参数对所述优化函数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合，包括：
[0018]
将第一待优化设计参数的初值作为目标层数，第二待优化设计参数和第三待优化设计参数的初值设为0；
[0019]
将所述第一待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第二待优化设计参数的初值依次加1，直到第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到一组设计参数组合；
[0020]
将所有的设计参数组合带入到优化函数中，得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0021]
优选的，还包括：
[0022]
当所述第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等时，将所述第二待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第三待优化设计参数的初值依次加1，直到第三待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到第二组设计参数组合。
[0023]
本发明还提供了一种变密度多层绝热材料的最优组合系统，包括：
[0024]
基本设计单元获取模块，用于获取变密度多层绝热材料的基本设计单元；所述基本设计单元为反射屏与间隔物层数比例；
[0025]
设计参数构建模块，用于将不同基本设计单元的重复次数为待优化设计参数；
[0026]
最优组合优化模块，用于对待优化设计参数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0027]
优选的，所述最优组合优化模块，包括：
[0028]
参数获取单元，用于获取目标层数和至少三个不同的基本设计单元；其中，一个基本设计单元即为变密度多层绝热材料的一层；
[0029]
优化函数构建单元，用于根据所述目标层数和所述基本设计单元构建优化函数；
[0030]
优化单元，用于利用所述待优化设计参数对所述优化函数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0031]
优选的，所述优化函数为：
[0032]
mli(p)＝[(e1,p1),(e2,p2),(e3,p3)]
[0033]
其中，e1为第一基本设计单元，e2为第二基本设计单元，e3为第三基本设计单元，且e1＝[a,g]，e2＝[a,g,g]，e3＝[a,g,g,g]，a代表反射屏，g代表间隔物，p1表示第一基本设计单元的重复次数即第一待优化设计参数，p2表示第二待优化设计参数，p3表示第三待优化设计参数。
[0034]
优选的，所述优化单元，包括：
[0035]
初值设定子单元，用于将第一待优化设计参数的初值作为目标层数，第二待优化设计参数和第三待优化设计参数的初值设为0；
[0036]
设计参数迭代子单元，用于将所述第一待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第二待优化设计参数的初值依次加1，直到第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到一组设计参数组合；
[0037]
最优组合确定子单元，用于将所有的设计参数组合带入到优化函数中，得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0038]
优选的，还包括：
[0039]
第二设计参数迭代子单元，用于当所述第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等时，将所述第二待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第三待优化设计参数的初值依次加1，直到第三待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到第二组设计参数组合。
[0040]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0041]
本发明提供了一种变密度多层绝热材料的最优组合方法及系统，其中，该方法包括：获取变密度多层绝热材料的基本设计单元；所述基本设计单元为反射屏与间隔物层数比例；将不同基本设计单元的重复次数为待优化设计参数；对待优化设计参数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。本发明将变密度多层绝热材料的基本设计单元的重复次数作为待优化设计参数，并对其进行优化，不需要经过高精度仿真过程，即可获得所有最优搭配方案，大大提高了对变密度多层绝热材料搭配组合的优化效率。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为本发明提供的实施例中的一种变密度多层绝热材料的最优组合方法流程图；
[0044]
图2为本发明提供的实施例中的基本设计单元结构图。
[0045]
图3为本发明提供的实施例中的采用本发明所得的最优组合与穷举法的对比图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0048]
本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
[0049]
本发明的目的是提供一种变密度多层绝热材料的最优组合方法及系统，旨在解决现有对变密度多层绝热材料的搭配方案优化效率低的问题。
[0050]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0051]
图1为本发明提供的一种变密度多层绝热材料的最优组合方法流程图，如图1所示，一种变密度多层绝热材料的最优组合方法，包括：
[0052]
步骤100：获取变密度多层绝热材料的基本设计单元；所述基本设计单元为反射屏与间隔物层数比例；
[0053]
步骤200：将不同基本设计单元的重复次数为待优化设计参数；
[0054]
步骤300：对待优化设计参数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0055]
进一步的，步骤300包括：
[0056]
获取目标层数和至少三个不同的基本设计单元；其中，一个基本设计单元即为变密度多层绝热材料的一层；
[0057]
根据所述目标层数和所述基本设计单元构建优化函数；其中，本发明实施例中的优化函数为：
[0058]
mli(p)＝[(e1,p1),(e2,p2),(e3,p3)]
[0059]
其中，e1为第一基本设计单元，e2为第二基本设计单元，e3为第三基本设计单元，且e1＝[a,g]，e2＝[a,g,g]，e3＝[a,g,g,g]，a代表反射屏，g代表间隔物，p1表示第一基本设计单元的重复次数即第一待优化设计参数，p2表示第二待优化设计参数，p3表示第三待优化设计参数。
[0060]
利用所述待优化设计参数对所述优化函数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。具体的，上述步骤在本发明实施例中可以为：
[0061]
将第一待优化设计参数的初值作为目标层数，第二待优化设计参数和第三待优化设计参数的初值设为0；
[0062]
将所述第一待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第二待优化设计参数的初值依次加1，直到第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到一组设计参数组合；
[0063]
当所述第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等时，将所述第二待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第三待优化设计参数的初值依次加1，直到第三待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到第二组设计参数组合。
[0064]
将所有的设计参数组合带入到优化函数中，得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0065]
下面结合具体的实际场景对本发明的优化过程做进一步的描述：
[0066]
对于一个用于液氢容器的变密度高真空多层绝热结构，即冷边界温度为20k、限制反射屏层数为40层，有3个密度区的vd-mli，优化方法如下：
[0067]
第一步，将vd-mli的设计参数表示为基本设计单元的重复组合：
[0068]
e1＝[a,g]，e2＝[a,g,g]，e3＝[a,g,g,g] (1)
[0069]
其中“a”代表反射屏，“g”代表间隔物。根据vd-mli在不同密度区域间隔物的占比不同，可将vd-mli的设计可表示为以下函数：
[0070]
mli(p)＝[(e1,p1),(e2,p2),(e3,p3)] (2)
[0071]
其中，p1,p2,p3分别为各基本设计单元e1,e2,e3的重复次数；
[0072]
第二步，给定目标层数为40，变密度区域数3，其中目标层数下最薄方案为[40,0,0]，即基本设计单元e1的对应重复次数为40，其余的设计单元重复次数为0。需要说明的是，一层反射屏厚度为0.1389mm，一层间隔物厚度为0.3472mm。
[0073]
第三步，将p
1-1的同时p2+1，直至p1减少至0，p2增加至40，最终的设计参数即为[0,40,0]；
[0074]
第四步，当设计参数为[0,40,0]以后，将p2每次-1直至减少至0，同时p3每次+1直至40，最终目标层数下最厚方案为[0,0,40]；由此本发明中得最优搭配分布如下表所示：
[0075]
[0076]
[0077]
[0078][0079]
图3为使用穷举法得到所有搭配下的变密度多层绝热材料的热流密度，由上表和图3可知，当目标层数为40层时，从19.44mm至47.22mm共81种厚度，所有厚度下共861种最优搭配，通过本发明的优化方法得到的搭配组合与使用穷举法得到的最优搭配组合基本吻合。由此可知，本发明方法不需要高精度仿真，即可获得所有厚度下的最优搭配，大大提高了对变密度多层绝热材料搭配组合的优化效率。
[0080]
本发明还提供了一种变密度多层绝热材料的最优组合系统，包括：
[0081]
基本设计单元获取模块，用于获取变密度多层绝热材料的基本设计单元；所述基本设计单元为反射屏与间隔物层数比例；
[0082]
设计参数构建模块，用于将不同基本设计单元的重复次数为待优化设计参数；
[0083]
最优组合优化模块，用于对待优化设计参数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0084]
优选的，所述最优组合优化模块，包括：
[0085]
参数获取单元，用于获取目标层数和至少三个不同的基本设计单元；其中，一个基本设计单元即为变密度多层绝热材料的一层；
[0086]
优化函数构建单元，用于根据所述目标层数和所述基本设计单元构建优化函数；
[0087]
优化单元，用于利用所述待优化设计参数对所述优化函数进行优化得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0088]
优选的，所述优化函数为：
[0089]
mli(p)＝[(e1,p1),(e2,p2),(e3,p3)]
[0090]
其中，e1为第一基本设计单元，e2为第二基本设计单元，e3为第三基本设计单元，且e1＝[a,g]，e2＝[a,g,g]，e3＝[a,g,g,g]，a代表反射屏，g代表间隔物，p1表示第一基本设计单元的重复次数即第一待优化设计参数，p2表示第二待优化设计参数，p3表示第三待优化设计参数。
[0091]
优选的，所述优化单元，包括：
[0092]
初值设定子单元，用于将第一待优化设计参数的初值作为目标层数，第二待优化设计参数和第三待优化设计参数的初值设为0；
[0093]
设计参数迭代子单元，用于将所述第一待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第二待优化设计参数的初值依次加1，直到第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到一组设计参数组合；
[0094]
最优组合确定子单元，用于将所有的设计参数组合带入到优化函数中，得到热流密度最小时的变密度多层绝热材料搭配组合。
[0095]
优选的，还包括：
[0096]
第二设计参数迭代子单元，用于当所述第二待优化设计参数的初值与目标层数的值相等时，将所述第二待优化设计参数的初值依次减1，同时将所述第三待优化设计参数的初值依次加1，直到第三待优化设计参数的初值与目标层数的值相等，得到第二组设计参数组合。
[0097]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0098]
本发明将变密度多层绝热材料的基本设计单元的重复次数作为待优化设计参数，并对其进行优化，不需要经过高精度仿真过程，即可获得所有最优搭配方案，大大提高了对变密度多层绝热材料搭配组合的优化效率。
[0099]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
[0100]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。