航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应用

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1、航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应用DesignandApplicationsofTopologyOptimizationTechniquesinAerospaceMulti—ComponentStructures西北工业大学工程仿真与宇航计算技术联合实验室朱继宏高欢欢张卫红周莹朱继宏西北工业大学教授、航空宇航制造工程系主任。比利时列日大学航空航天技术实验室博士。主要从事飞行器与航空发动机轻质结构性能优化设计、航天器多组件结构系统的整体式布局优化设计、热一机械耦合系统结构优化设计研究工作。主持国家自然科学基金2项，发表论文80余篇

2、。其中SCI检索20篇。获陕西省科学技术一等奖、二等奖各1项。近年来，随着计算力学、计算数学以及计算机科学技术的发展，结构优化技术进入了蓬勃发展时期，并且进一步深入到先进轻质结构的设计26航空制造技术·2014年第14期本文以航天器多组件结构系统设计为例，介绍了近年来拓扑优化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况，并对其发展前景进行展望。文中选择了国内外两个代表性设计进行了详细分析，以作为具体航空航天多组件结构系统设计的参考和对照。过程中。按照设计对象划分，结构优化技术主要有3类：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。其中，拓扑优化技

3、术以结构的整体布局形式为设计内容，在满足一定的材料用量、制造工艺和设计功能等约束条件下，在指定载荷环境下能最大程度地提高结构综合性能⋯。因能对结构的概念布局和整体性能起到决定性的作用，所以众多的设计者尝试将拓扑优化技术运用到结构初始方案的概念设计中。目前，结构拓扑优化设计多采用变密度法，其设计变量定义为单元伪密度，变量值描述单元材料的有无：值为l时，代表此单元为实体材料；值为。时，代表此单元无材料。通过建立单元伪密度设计变量和单元材料的杨氏模量、密度等物理参数的函数对应关系，实现结构有限元仿真分析并获取所关注的约束函数值和目标函数值，

4、进行数值优化迭代过程，最终得到高性能的结构构型。至今，拓扑优化技术已经深入到刚度、强度、传热、电磁和振动等领域，建立了多准则、多学科和多目标优化设计的基本架构，并广泛应用于实际的结构设计工作中”‘3f。新世纪以来，我国航空航天科技日新月异，新型飞行器结构系统的轻量化、紧凑性和多功能设计要求必须充分利用结构优化设计技术的最新成果，从基础理论、设计方法和设计平台等不同层面开展创新性基础研究，为我国航空航天事业的跨越式发展提供技术支持。衄哑二盟整体式多组件系统的拓扑优化设计飞行器结构系统具有鲜明的共同特点(如图l所示)，各种功能元件、仪器设

5、备组件等有效载荷(称为组件)通过合理的空间布局和支撑结构被固定在带有蒙皮的锥体、柱体等形状的空间内部。无论在大气层以内还是以外的飞行服役过程中，飞行器结构系统均承受着惯性载荷以及来自气动噪声和发动机的冲击、振动等复杂载荷。显然，组件的摆放和结构的构型这两方面布局因素从根本上决定了系统的综合力学特性。为了保证飞行器的平衡

6、生与稳定性，避免设备或结构的损坏，需要对这两种布局问题进行合理优化设计。霞崖有效解决航空航天飞行器结构系统布局设计这一难题，需要提炼并深入研究整体式结构系统的协同布局优化设计这一基础科学问题。这种新的整体式设计理念不仅

7、体现在组件和结构的一体化安装上，更体现在整个系统的承载、振动等力学性能的一体化设计中，兼顾以上因素而进行的结构系统匹配设计就构成了协同布局优化技术。该模式从组件的几何空间布置以及支撑连接结构的构型形式两个基本层面协同，从机械承载和动力学环境两类工况考虑，改善结构刚度、强度、随机振动响应、加速度响应等设计指标，有效解决飞行器关键部件结构的快速优化设计问题。本文以航天器多组件结构系统设计为例，介绍了近年来拓扑优化技∥譬，≮这两种布局问题引出了两类设计概念：一方面以组件的空间位置布局为设计对象，旨在满足系统的质量布局和紧凑性；另一方面以结构

8、构型为设计变量的拓扑优化设计为主，旨在满足结构的刚度、强度和动力学性能。在现有的航天器结构系统设计过程中，组件空间布局优化和结构拓扑优化串行开展，目前已取得了显著的成果。然而，为了进一步揭示组件与结构之间的耦合承载机理和布局因素，术在航天器多组件结构系统设计中的T程应用情况，并对其发展前景进行展望。文中选择了国内外两个代表性设计进行了详细分析，以作为具体航空航天多组件结构系统设计的参考和对照。含多个设备组件的卫星连接结构设计在航天器结构设计中，卫星内部结构设计是非常重要的一环。由于卫星内部会安装多个功能性设备组件以实现一项或多项功能，

9、而受限于有限的卫星体积要求，卫星内部结构在几何空间上具有强烈的冲突，这就对卫星内部结构的设计提出了更高的要求。一般来说，卫星内部大部分设备组件通过支架结构与可以承受大过载的骨架结构相连接。为了有效地减轻结构质量，支架结构