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。     

机器人在轨构建空间桁架结构的装配序列规划方法

针对机器人在轨构建空间桁架结构的装配序列规划问题，提出一种可同时求解装配单元装配序列与机器人运动的序列规划方法。首先设计了装配机器人并建立了动力学模型；其次，对机器人在整个装配过程中的运动进行了分类并分别给出了规划与控制方法；然后，建立了装配序列规划的评价指标并采用离散粒子群算法求解。最后，以常用空间桁架结构为例，通过仿真校验了所提方法的有效性。     

国外长焦距高分辨率遥感相机桁架结构研究

桁架结构具有构型简单、拆装和运输方便等优点,被大量用于航空航天、桥梁、建筑、车辆以及船泊等领域.文章介绍和分析了国际上长焦距、高分辨率空间及地面遥感相机桁架结构设计技术;探索和总结了相机桁架结构的布局特点、设计方法和装调技术等关键问题,为我国高分辨率遥感相机的研制提供参考.     

桁架式集成天线塔优化设计

针对某卫星平台桁架式集成天线塔结构的优化设计,采用了一种先构型优化,再尺寸优化的方法.首先使用Midas软件进行了有限元建模,应用满应力优化和基结构法得到了兼顾重量、基频、拉拔力、结构对称性及安装空间的综合最优构型.其次,在构型优化结果的基础上,通过Isight软件集成MSC.Patran/Nastran软件,选用多岛遗传优化算法,分析得到了最轻质量杆件截面方案.该方案可以同时满足空间X、Y、Z三个方向正弦响应荷载工况的强度、刚度等要求,质量较优化前降低.优化结果表明,该方法能够得到满足设计要求的方案,可以应用于桁架结构的优化设计.     

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。     

卫星复合材料桁架结构多级优化设计方法

针对卫星用复合材料桁架结构,提出一种多级优化设计方法,对复合材料桁架结构的空间构型、几何参数以及材料铺层角度开展协同优化设计。该方法能够在缩减优化问题求解规模,提高解算精度的同时,获得兼顾结构刚度、强度、稳定性、质量以及在轨热变形的综合最优结果。最终通过工程算例,验证了文中提出优化设计方法的有效性。     

卫星大挠性桁架结构振动抑制试验研究

研究大型挠性空间桁架结构(LFST)的振动抑制问题.基于LFST特性,设计一套空间桁架试验系统.针对LFST具有大挠性、低刚度和低阻尼等特性,设计并研制一种圆柱式剪切型粘弹性阻尼器,给出具有粘弹性阻尼器的桁架阻尼杆的动力学模型.分别利用有限元方法和试验分析方法,对空间桁架的模态频率、模态阻尼比以及瞬态激励响应进行仿真和试验分析.结果表明应用这种阻尼器,桁架结构系统的第一阶模态阻尼比从0.49%增大到13.1%,其他各阶模态阻尼比也都有所增加.     

一种卫星分步结构优化方法

在卫星结构设计中,为了在满足各种工况条件下有效实现减重,基于优化驱动设计的思想,文章提出了一种分步结构优化方法:第一步采用固体各项同性惩罚微结构法(SIMP)进行多工况下最小柔顺度的拓扑优化,通过将多工况下的优化目标加权,转化为单目标优化问题,优化求解得到最优构型;第二步,提取第一步优化方案的拓扑构型关键特征,以质量最小、整星结构基频最高为目标,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对形状和尺寸参数进行多目标优化;第三步,根据得到的形状尺寸参数,考虑实际加工和设计要求,经过人工修改迭代,得到最终设计。此方法应用于天拓-3卫星的支撑腿结构设计中,实现了考虑多工况的拓扑优化和多目标的形状尺寸优化。按照工程设计制造要求进行处理,获得的优化方案在满足各项约束条件下使支撑腿结构有效减重44.57%,整星结构基频提高3.97%,说明该方法具有较强的工程应用价值。     

空间智能桁架模糊振动控制研究

研究了模糊控制应用于多输入、多输出的空间智能桁架系统的振动控制.首先建立空间智能桁架的有限元方程,在此基础上,设计了一个标准的模糊控制器,并通过选择合适的量化因子将该标准模糊控制器应用于每一对同位布置的作动器/传感器,各个控制器之间独立工作.这样就避免了设计MIMO模糊控制器带来的复杂问题.最后针对空间智能桁架进行仿真,结果表明,设计的模糊控制器可以有效抑制桁架的振动,并且具有结构简单、鲁棒性强、抑制控制溢出的优点.     

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。     

基于CAD三维模型几何特征简化的卫星桁架结构快速建模仿真与试验验证

为提高卫星桁架结构设计过程的仿真建模质量,优化仿真过程对三维模型信息的利用方式和效率,文章提出一种基于CAD三维模型几何特征简化的卫星桁架结构快速建模仿真方法,并给出分别采用梁单元和壳单元建模的路径及软件界面。将该方法应用于某卫星结构的仿真建模,得到了三维有限元模型模态分析数据,其与力学试验数据的对比结果表明:横向模态分析与试验误差最大,为6.07%;各方向误差均满足指标要求。基于CAD三维模型几何特征简化处理的卫星桁架结构快速建模仿真方法合理可行,建模过程便捷、高效,数据可信。     

空间可展开结构拓扑综合方法研究

空间可展开结构的构型用邻接矩阵表示,采用拓扑变换的方法来研究空间可展开结构 的拓扑综合。通过构件的增加、减少以及连接关系变化的变胞综合方法实现不同构型之间的 变换运算。以周边桁架可展开天线结构为例,通过构型变换,得到了不同于目前同步展开／ 收拢方式的混合展开收拢方式,以及新的可展开结构的构型。通过所得类型的运动仿真,表 明了混合展开方式以及新的可展开结构类型的可行性,验证了空间可展开结构拓扑综合的变 胞综合方法。     

基于DSP的自适应桁架振动控制器设计

重量轻、功耗低、处理能力强的控制器对自适应桁架的空间应用具有重要意义。本文以自适应桁架空间应用为背景,进行了控制器的小型化设计。以DSP芯片TMS320VC33为核心,实现了自适应桁架振动控制器硬件,并开发了相应的控制程序。采用4阶线性二次型高斯(LQG)离散控制模型,在自适应桁架实验平台上进行了振动抑制实验。实验表明,以DSP为核心的小型化控制器能够实现对自适应桁架振动的有效抑制,达到了与dSPACE控制器相同的控制效果。     

星载大型天线反射器桁架展开动力学建模仿真

以星载大型可展开天线为对象,研究了索网绷紧前天线反射器桁架在轨展开动力学过程。对大型天线展开机构特点和展开原理进行分析,建立了反射器桁架驱动和传动机构动力学模型。为避免初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异,以及小展开角情况下动力学方程左端系数矩阵数值性态差问题,提出了基于几何的替代约束求解方案。对星载大型天线在轨展开动力学过程进行了数值仿真,仿真结果表明,提出的方法能够有效解决初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异问题。     

结构优化建模方法研究进展

列举了结构优化中常用的建模方法,并根据对设计变量和状态变量的处理方式不同,将其分为传统优化模型、同步优化模型和两相法优化模型。然后分析了各模型的原理并对其优缺点进行了对比,同时列举了各模型的应用范围及适用的优化算法。详细介绍了近年来出现的半定规划法在结构优化领域中的应用,描述了航天器结构刚度优化中具有特殊困难的重频优化问题的半定规划法建模过程。最后指出了今后结构优化建模方法的发展方向。     

某型号离心机吊篮拓扑优化设计

在某型号离心机吊篮设计中,采用了拓扑优化设计。根据离心机吊篮的最大外形尺寸、连接边界、承载质量、离心机最大加速度值等参数,确定了拓扑优化的设计区域、载荷条件、边界条件,并用ANSYS建立了其有限元模型。以整体刚度最大为目标,根据吊篮质量要求施加拓扑优化约束条件,建立了吊篮拓扑优化的数学模型。采用TOSCA软件进行优化求解。拓扑优化后结构质量满足约束条件,刚度显著提高。     

卫星肼瓶系统减振优化设计

由于布局和安装条件的限制,某卫星肼瓶支架采用了“十”字型截面设计,这导致在发射过程中某方向肼瓶振动幅度过大,发生较大变形甚至断裂破坏。为减小肼瓶系统的过度振动,采用结构优化方法进行了减振动力学设计。考虑以下方案:1)固有频率约束下,以肼瓶系统重量为目标函数的尺寸优化;2)频率响应约束下,以肼瓶系统重量为目标函数的尺寸优化;3)以频率响应极小化为目标函数的肼瓶系统尺寸优化;4)频率响应约束下阻尼材料拓扑布局优化,以肼瓶系统重量为目标函数。对优化模型1)~3)进行直接线性化处理,采用序列二次规划方法求解。在阻尼材料拓扑布局优化中,采用了作者提出的基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则。综合比较上述方案优化效果,阻尼拓扑布局优化设计的减振效果是最佳的。文中对动力响应优化设计问题的优化模型选取也进行了探讨。     

一种基于进化计算的空间飞行器编队重构轨道规划方法

基于进化算法提出了一种两层结构的空间飞行器编队重构的轨道规划算法,高层算法通过优化构型映射来优化编队的总燃耗,实现全局规划并确保飞行器之间保持一定的安全距离以避免相互碰撞;低层规划算法采用Chebyshev多项式逼近控制变量空间,为每颗飞行器规划满足约束条件的最优轨道。该方法充分利用了编队的分布式结构,由各飞行器并行实现各自的轨道规划,能有效解决大型编队的轨道规划问题。仿真结果表明了该方法的有效性。     

压电自适应桁架结构控制一体化设计

针对压电自适应桁架结构,建立了含有主动元件位置的结构控制一体化设计数学模型,以结构重量作为目标函数,以结构静、动态响应作为约束函数,同时优化结构设计参数、控制参数和主动元件的位置。提出一种解决混合变量一体化设计问题的新方法,该方法将近似概念、遗传算法和对偶法相结合。首先采用组合多点近似函数建立原问题的序列近似问题,再对近似问题中的(0,1)离散变量和连续变量采用遗传算法和对偶方法分别寻优的分层优化策略。算例表明本文方法由于遗传算法只用于求解近似问题,因此只需要很少的结构分析次数就能得到最优解或近似最优解。     

多学科设计优化在空间站太阳翼构型设计中的应用

论述了空间站太阳翼构型的优化问题及应当考虑的设计参数、设计约束、优化目标以及组装建造阶段,分析了优化问题涉及的学科和参数耦合关系;以一个虚拟的空间站服务舱为例,探讨了其太阳翼构型优化建模,给出了3个单目标优化模型,包括设计变量、约束条件和目标函数,比较并说明了优化结果,表明优化合理有效。