航天器部件结构拓扑与尺寸优化技术研究

admin · 发表于 2022-9-16 16:23:04

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随着我国航天器技术的发展，航天器结构日益大型化、复杂化，迫切需要将先进结构优化方法应用于航天器结构设计中，以提高设计效率和设计质量。航天器结构初样设计确定之后细节尺寸和某些部件的拓扑布局需要进行详细的优化设计。论文主要工作是应用航天器优化软件ESSOSII对某型卫星的初样设计进行结构拓扑与尺寸综合优化，为工程部门提供参考。最后针对优化过程中出现的拓扑优化结果需要人工转换成实际结构的题目，对拓扑优化结果光滑处理技术进行了探讨。本文工作包括以下三点：首先，完成了某型卫星结构的尺寸优化。该星结构分系统主要由板壳构成，其布局主要由安装其上的各种仪器设施的安装位置确定，所以仅对该星进行尺寸优化。根据工程部门提供的有限元模型进行初始结构分析后建立整星的优化模型，并在ESSOSII中进行优化计算。优化后卫星结构重量大大减轻，且满足全部约束条件，为工程部门提供了参考。其次，完成了某型卫星的拓扑和尺寸综合优化设计。根据工程部门提供的初样设计资料建立了该星的有限元模型，并进行初始结构分析以验证了模型的正确性。该星的细节尺寸和其中隔板的拓扑构型均需进行优化设计。针对这个含有拓扑和尺寸两种设计变量的优化题目，提出交替优化策略，并分别建立以细节尺寸为设计变量的尺寸优化模型和以主承力部件的单元相对密度为设计变量的拓扑优化模型。拓扑优化基于变密度法的材料插值模型，寻优算法采用二级多点近似算法。经过尺寸和拓扑两轮交替优化，得到了主承力构件的拓扑构型和优化后的结构细节尺寸，计算结果表明结构的重量明显下降，且满足全部约束条件，为工程部门提供了参考。最后，针对拓扑与尺寸交替优化之间需要手动修改有限元模型的题目，设计拓扑优化结果边缘光滑处理模块，自动地对二维连续体拓扑优化结果进行边缘光滑处理，将其转化为真实的板壳结构，并重建有限元模型。并以经典的拓扑优化算例进行了对比验证。

航天器部件结构拓扑与尺寸优化技术研究

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