降低热变形的卫星有效载荷安装结构优化设计

在整星有限元热变形分析基础上,以有效载荷安装结构热变形最小为目标,对安装结构依次进行拓扑优化及设计敏度分析和尺寸优化。结果表明：通过优化设计,在显著降低该结构热变形的同时大幅减小其质量;拓扑优化给出结构基本构型,尺寸优化进一步细化结构设计方案,二者结合能有效改进结构设计。     

一种面向增材制造技术的桁架式支架结构设计方法

针对卫星结构轻量化设计需求,综合应用拓扑优化方法和增材制造技术在结构设计和加工方面的优势,提出一种面向增材制造的桁架式支架结构设计方法。首先,考虑增材制造加工工艺约束,应用拓扑优化方法在结构可行设计空间中寻找最佳传力路径,以此为基础抽象出相对应的桁架结构;然后,应用尺寸优化方法,设计最优的桁架杆件截面尺寸;最后,综合考虑最优杆件尺寸和结构加工/使用约束,进行几何重构,获得可供增材制造的结构设计方案。将方法应用于某卫星敏感器支架结构设计,得到一种相对传统构型减重35.4%的轻量化设计方案。经详细力学分析验证,在使用与传统构型支架相同材料参数和载荷工况下,新型支架基频提高34.3%,安全裕度提高13.0%,同时动态响应系数降低7.3%,验证了方法在结构设计方面的可行性,为同类结构的轻量化设计提供了有益参考。     

星敏感器支架多学科多目标优化设计方法

针对高分辨率光学卫星对星敏感器支架结构轻量化和指向精度的严苛需求,文章提出一种基于力学和热学的多学科、多目标拓扑优化方法,并设计了一种高比刚度、高指向精度的圆筒式支架。首先,建立静态柔度最小和动态刚度最大的多目标拓扑优化数学模型,确定优化参数;其次,考虑结构和热稳定性,进行多学科多目标协同优化,获取最优的结构形式;然后,通过有限元法对优化后支架进行热稳定性和动力学分析,利用最小二乘法对热变形数据进行拟合,计算出星敏感器指向精度;最后,进行热真空和振动响应特性试验验证。结果表明:星敏感器组件的结构基频为425.6 Hz,结构轻量化率超过45%,指向精度为2.71″,圆筒式支架具有较高的结构/热稳定性和指向精度,满足卫星对其高性能指标的要求,验证了优化方法的可行性,为高精度器件的结构设计提供了一种有效方法。     

空间相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化

在复杂的整机力学环境下,以空间遥感相机支架最大自由模态为优化目标,将整机关键技术指标(基频、轻量化要求、自重变形要求等)作为约束条件,利用拓扑优化及尺寸优化技术,对某相机支架进行了优化设计。试验结果表明该方法能有效提高相机基频,相机支架实现了轻量化设计,质量减轻10%,验证了拓扑优化及尺寸优化技术在空间相机结构设计中的有效性。     

大型航天器桁架式主承力结构构型拓扑优化研究

针对桁架结构和拓扑优化的特点,提出了一种连续体-离散体两级拓扑优化策略。应用该策略对大型航天器桁架式主承力结构的构型进行了优化设计。首先,使用HyperWorks软件对桁架结构的设计空间进行了有限元建模,应用连续体结构拓扑优化方法,得出了五传力点和七传力点两种准桁架结构形式,并提炼出与之对应的桁架结构;然后,对所得桁架结构进行拓展,并应用桁架式结构拓扑设计优化系统(TODOSST)对拓展后的桁架基结构进行了离散体结构拓扑优化,得到了五传力点和七传力点两种桁架方案。经对比,七传力点桁架构型方案在基频拓展性、设备预留空间可用性等方面均有比较明显的优势,可作为后续设计的基础。文章应用连续体-离散体两级拓扑优化策略,得到了满足基本设计要求的桁架结构基本构型,可为详细结构设计提供参考;所用优化策略也可为同类桁架结构设计提供借鉴。     

考虑高耗时约束的全电推进卫星多学科优化

为提高卫星系统整体性能与优化设计效率，本文采用多学科设计优化（MDO）方法进行全电推进卫星总体参数优化。主要考虑轨道转移、位置保持、空间环境、供配电、结构及质量六个学科，以整星质量最小为优化目标，考虑轨道转移时间等约束条件，建立了全电推进卫星MDO模型。提出一种基于增广拉格朗日乘子法的高效全局优化方法（ALM-EGO）以快速求解卫星MDO问题。标准数值算例对比研究表明，对于处理高耗时约束优化问题，ALM-EGO方法在全局收敛性与优化效率方面具有一定的优势。最后，采用ALM-EGO求解全电推进卫星MDO问题，优化后的全电推进卫星设计方案满足各类工程设计约束，实现整星减重161.09 kg，从而验证了本文所建立模型的合理性和ALM-EGO方法的有效性。     

旋转惯性过载作用下结构拓扑优化设计研究

为实现再入体结构轻量化设计,开展了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计技术研究。本文利用灵敏度“逻辑与“综合方式的多工况结构拓扑优化设计方法,结合惯性载荷作用下拓扑灵敏度分析,研究了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计。针对锥筒形支架结构,以整体刚度最大化为目标函数,材料用量为约束条件,进行了结构拓扑优化设计,得到了合理的优化构形。     

某微小卫星结构轻量化设计研究

对某对地观测微小卫星初样星的结构优化进行了研究。建立了该卫星的有限元模型,对卫星的主承力结构进行了结构尺寸和材料优化,结果表明结构尺寸优化在满足整星有足够静、动态特性的前提下使总质量减少了5.66kg,占结构总质量的28.3%;用碳纤维/环氧树脂复合材料替换原铝合金材料使整星质量减轻6.55kg,占结构总质量的32.75%,并满足相应的力学性能,两种结构优化方案均使初样微小卫星结构质量显著降低。用模态分析与静力分析验证了优化后整星满足规定的刚度与强度要求,其优化过程与结果为同类微小卫星结构设计提供了参考。     

桁架结构拓扑优化系统软件开发及其在大型天线安装桁架设计中的应用

针对大型复杂桁架式承力结构的构型设计和优化问题,基于桁架结构拓扑优化的半定规划模型及算法,以MatLab为平台设计开发了桁架结构拓扑优化系统(TODOSST)软件。首先以柔度最小化问题为例给出了桁架拓扑优化的半定规划模型,通过不同目标和约束的组合构造了优化模型库;然后在MatLab环境下完成了软件的框架设计和功能模块开发;最后将软件应用于大型天线安装桁架的构型优化。结果显示:使用TODOSST软件得到的优化设计方案能够显著减小结构质量,提高结构静/动态刚度,降低内部节点弯矩水平。优化结果对工程结构设计具有重要的参考价值,同时也验证了TODOSST软件应用于桁架结构构型设计的实用性和有效性。     

基于HyperWorks的折叠翼结构优化设计

基于HyperWorks商业软件,利用连续体拓扑优化技术对某折叠翼结构进行结构设计。该设计问题以折叠翼翼梢部分的单元相对密度和蒙皮厚度作为设计变量,以结构应变能最小作为结构优化目标,包含质量约束和单元应力约束。根据通过拓扑优化得到的最优结构拓扑形式重新进行建模和分析,得到满足刚度和强度要求的折叠翼结构。