航空航天结构轻量化设计与实验方法研究进展

综述了近年来航空航天结构轻量化设计方法，聚焦薄壁结构与连接结构两类主要承载结构轻量化设计进行总结；针对薄壁结构，分析了面向后屈曲行为的轻量化设计、虑及缺陷的鲁棒性设计以及创新轻质薄壁领域的发展动向；针对连接结构，总结了传力路径与区域应力调控两大类设计方法。此外，就轻量化结构的高精度实验方法与数字孪生模型等共性关键问题进行梳理，并展望了未来航空航天结构轻量化设计方法发展前景，为未来研究工作和装备研发提供参考。     

共固化粘弹性复合材料的结构多目标进化优化设计

共固化粘弹性复合材料结构兼具结构承载和阻尼减振能力,设计时需同时考虑强度、刚度、质量和阻尼性能等指标要求,且设计变量众多,因此传统的设计方法难以实现结构的优化设计。本文建立了共固化粘弹性复合材料结构的多目标优化模型,优化目标为结构质量最小化和模态损耗因子最大化,设计变量包括铺层厚度、方向角和阻尼层厚度,并考虑结构动刚度的约束条件。阻尼结构的分析采用基于有限元法的模态应变能法,进化优化采用改进的非支配排序多目标遗传算法(NSGA-II)。最后的优化算例表明将多目标遗传算法应用于共固化粘弹性复合材料结构阻尼/结构一体化设计的可行性。     

基于“笔”输入模式的产品结构草图快速设计系统研究

为了减少设计人员从想法到设计实现之间的障碍,本文提出一种新的设计途径——"直接手绘"的方式来支撑产品结构草图设计过程,使得进行产品开发的功能结构、材料工艺、设计开发过程、制造模式等都发生了深远的变化。首先给出快速设计系统的总体方案,然后重点剖析阐述快速设计系统的软件设计,最后以算例形式验证了基于"笔"输入的三维航天产品结构草图快速设计方法及系统。     

某结构在振动-加速度复合环境下的响应优化

文章以结构的安装角为设计变量,根据结构安装位置的合理性来确定设计变量的约束条件。以结构关键部位的加速度均方根值作为目标函数,建立了随机振动-加速度复合载荷作用下基于安装角的某结构响应优化模型。应用ANSYS软件中的参数化设计语言（APDL）实现了离心场中结构随机振动响应对安装角度的灵敏度分析及优化。优化后的结构振动响应降低了。     

基于频率的空间相机主体结构优化设计分析

通过对一连续体进行基于基频最大化的拓扑优化,得出主体结构的最优结构形式;对优化结果进行了有限元仿真计算,与传统设计方法所得的相机结构进行对比,基频稍有提高而质量有较大减小。结果表明:采用拓扑优化设计方法能够缩短设计周期,有效减小结构质量,提高了相机主体结构的动刚度,设计结果完全满足系统需求。     

复合材料格栅圆柱结构优化设计

复合材料格栅圆柱结构是由连续纤维缠绕的斜向和环向肋组成的结构.介绍了一种轴压作用下复合材料格栅圆柱结构的设计方法,该模型是在满足格栅结构整体屈曲要求、斜向肋承受压缩强度要求以及2个交叉点间肋段的局部屈曲3个约束条件的情况下,通过引入格栅结构整体屈曲、局部屈曲及压缩强度安全系数,并经过对数学模型的变换处理,使得格栅结构的结构重量最小,得到格栅结构的设计参数.该方法在格栅结构的设计与优化中非常有效.     

航天结构可靠性设计的现状与进展

综述航天结构可靠性设计的任务、目的、理论基础和特殊性;常规设计方法的缺点;结构可靠性静力设计、动力设计、热设计、数据库及程序库的现状与进展。     

含相变材料热防护结构一体化设计与试验

利用相变材料储热密度大、比热容高等优势,设计了一种含相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS),并通过数值计算分析了其隔热特性。结果表明,在一体化热防护结构底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载,改善结构的隔热性能。然后设计并制备PCM-ITPS试验件,通过隔热性能测试试验对结构隔热特性进行验证。在此基础上进行热应力分析验证其承载性能,并以结构参数为设计变量,隔热和承载性能要求为约束条件,实现了PCM-ITPS结构的轻量化设计,优化后PCM-ITPS方案相对传统ITPS方案减重23.35%。以上工作为促进热防护系统的设计-制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。     

重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构一体化拓扑优化设计

运载火箭发动机机架与舱段传力结构主要负责将发动机的推力载荷有效传递至箭体壳段,是火箭结构系统中的关键部位。为充分考虑重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构之间的耦合影响,寻找合理的传力路径并实现结构高效承载,对其开展了联合最优传力路径分析及结构优化设计。考虑变形、质量、设计空间、制造约束等设计要求,以整体刚度最大化为目标,建立了火箭发动机机架与舱段传力结构的优化模型,开展了一体化优化设计工作;讨论了发动机机架与舱段传力结构间的连接区域参数对整体结构设计的影响,给出了相关设计建议。     

卫星结构的优化设计

简要说明了卫星结构优化设计的意义、数学模型、分析计算方法和优化计算软件,并指出卫星结构优化设计的特点和关键技术。     

一种梁板复合结构的设计

对某卫星主结构中应用的一种新型的复合材料结构形式——梁板复合结构进行了设计、分析与试验。首先通过整星分析,设计了梁板复合结构,并为其设计了试验件进行研制试验。同时,利用有限元软件PATRAN和NASTRAN建立了三种模型:二维板壳模型、三维板壳模型和三维实体模型,通过比较试验结果与分析结果,修正了分析模型,并找出了合理的分析方法。试验结果表明,设计的梁板复合结构满足了既定的强度要求。     

变结构自适应控制理论在运载火箭姿控系统设计中的应用

针对大型运载火箭姿态控制系统设计的一些具体问题，如弹性振动的抑制、外部干扰的补偿等，探讨了变结构自适应理论在运载火箭姿态控制系统设计中的应用方法及其可行性。对于变结构理论的应用方法，提出了不确定性边界的自适应估值算法和基于简化模型的变结构自适应控制器设计。对设计的姿态控制系统进行了仿真，并与采用古典理论设计的姿态控制系统性能进行了比较。结果表明采用变结构自适应控制理论设计运载火箭控制系统是可行的，与古典方法相比变结构自适应方法设计的姿态控制系统具有较强的鲁棒性和较高的精确度，特别是采用不确定边界自适应估算方法可以大大提高系统的稳定性。     

火箭结构可靠性设计分析

本文为火箭结构可靠性设计分析的综合性报告。从实用观点,考虑到可靠性设计的合理性以及传统安全系数设计的方便性,提出可靠性安全系数法。可靠性安全系数常比传统安全系数小,因而,在满足所要求的可靠性指标情况下,常可使结构重量减轻。 文中讨论了结构可靠性设计指标与分配;简介了可靠性设计的一般方法;通过可靠性安全系数,把可靠性设计与试验检验直接相联系,列出了试验检验算式。此外,综述了结构强度统计中的一些具体问题。文中给出了有关结构强度变差系数及可靠性安全系数图表,供查用。     

一种新型微带DGS低通滤波器设计

文章设计了一种新型的DGS(Defected Ground Structure)单元结构微带线,该DGS单元结构在某频段内具有带阻特性和低通滤波器的特性。文章运用这种新型的DGS单元结构,设计了三级低通滤波器,测试结果和计算结果基本一致。设计的低通滤波器与传统低通滤波器相比,提高了功率容量和性能,说明DGS单元结构在射频电路中有很好的应用前景。     

多自由度仿生扑翼飞行机器人结构设计与分析

旨在设计一种能够飞行的大型仿生扑翼飞行机器人,以海鸥作为设计原型进行飞行方式和运动规律分析,建立结构设计和数学模型,实现多自由度仿生扑翼飞行。对设计结构进行运动学分析,使仿生飞行结构更加合理且符合基本气动性能。通过建立三维模型,将其运动学仿真结果与理论结果进行对照分析,证明了理论分析的正确性和设计结构的合理性。     

基于特征结构配置的无人机多目标控制技术研究

阐述了特征结构配置法在飞行控制系统设计中的应用问题.从理论上探讨了特征结构配置的概念和根据设计指标确定特征结构的方法.应用这种方法,根据对无人机运动模态的分析,设计出结构简单的多输入多输出飞行控制器.通过对某型无人机多目标控制器的设计仿真表明:采用该控制器的飞行控制系统实现了各模态之间的解耦,且具有良好的动态性能和跟踪性能.     

基于iSIGHT集成平台的次镜支撑结构优化设计

空间遥感相机次镜支撑结构的稳定性对相机的成像品质具有很大的影响,对其进行分析和优化设计具有重要意义。通用的有限元分析方法无法对复杂结构自动进行多目标、多约束及多设计变量的优化设计。文章研究了以 iSIGHT 为集成平台的多目标优化设计方法及复杂结构的参数化有限元模型的建立方法,设计了次镜支撑结构的优化策略;通过分析得到了影响次镜支撑结构稳定性的各变量的灵敏度、设计空间及最优设计方案,结构性能大大提高。这种优化方法可以快速地找到最优方案,大大提高优化效率及产品的可靠性,可应用于其它次镜支撑结构设计乃至整个遥感器的设计中。     

复合材料易碎盖薄弱区结构的参数化设计

针对复合材料易碎盖薄弱区结构进行力学性能分析,提出了薄弱区结构参数化设计方法。对发射箱盖整体进行数值模拟,确定了薄弱区局部模型分析的边界条件和载荷。计算薄弱区结构模型在11种拉弯耦合载荷作用下的承载能力,绘制强度包络线,分析了薄弱区内外侧搭接布条的长度与厚度对其性能的影响。根据最大主应力强度准则,计算得到薄弱区结构在不同拉弯比例下的强度随结构参数变化的曲线,进而对薄弱区结构进行参数化设计。根据参数化设计方法,设计了2种易碎盖进行冲破实验。结果表明,搭接长度主要影响薄弱区结构的剪切强度,而搭接厚度主要影响薄弱区结构的拉伸强度;设计结果与实验结果差距在10%左右,验证了设计方法的可行性。     

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。     

卫星电推进系统力学环境试验工装设计

研究了一种卫星电推进系统进行力学环境试验的工装设计方法,进行了工装结构建模、结构强度与试验载荷的分析以及建立在仿真计算结果上的结构优化设计,并通过试验验证了该项设计的合理性。