【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于空間飛行器結(jié)構(gòu)。
技術(shù)介紹
1、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)是衛(wèi)星的關(guān)鍵組成部分，其主要功能是支撐有效載荷及儀器設(shè)備，并提供必要的安裝空間，承受和傳遞作用在衛(wèi)星上的靜、動(dòng)載荷，保證強(qiáng)度和剛度。結(jié)構(gòu)重量是衛(wèi)星的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般有明確的輕量化設(shè)計(jì)需求，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)一直貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)大量使用箱板式結(jié)構(gòu)與各種支架類結(jié)構(gòu)，通過總體構(gòu)型布局設(shè)計(jì)、主次結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、增加減輕孔減輕槽設(shè)計(jì)、使用輕質(zhì)材料等傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì),而箱板式結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)機(jī)械加工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析與制造技術(shù)較成熟，重量、成本、周期難有大幅度提升。為了進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)重量，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星上開始使用拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造相結(jié)合的技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了部分星上支架類結(jié)構(gòu)的大幅減重設(shè)計(jì)。
2、一般采用拓?fù)鋬?yōu)化直接光順建模設(shè)計(jì)方法，具體步驟簡述如下:設(shè)計(jì)接口約束確定、初始模型設(shè)計(jì)、仿真條件設(shè)置、拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)設(shè)置與分析計(jì)算、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果確認(rèn)、光順設(shè)計(jì)建模、力學(xué)性能校核。典型應(yīng)用為張立華等在《嫦娥四號(hào)任務(wù)中繼星“鵲橋”技術(shù)特點(diǎn)》中應(yīng)用的嫦娥四號(hào)“鵲橋”中繼星斜裝星敏感器和動(dòng)量輪支架、劉正山等在《一種衛(wèi)星推力器3d直屬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法》中應(yīng)用的通信衛(wèi)星雙頭推力器支架、王瑞顯等在《小衛(wèi)星一體化星敏支架拓?fù)鋬?yōu)化》中提到的一體化星敏支架，等等。
3、但是，由于拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)的結(jié)果為體現(xiàn)材料分布的幾何模型，不能直接用于零件制造，設(shè)計(jì)師需要依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)使用軟件工具對(duì)分析結(jié)果幾何模型進(jìn)行包覆處理、再設(shè)計(jì)等光順建模操
4、(1)設(shè)計(jì)參數(shù)不可控：拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果只反映了各個(gè)部分的材料堆積及走向趨勢，具體的光順建模工作還需要由設(shè)計(jì)師手工自由曲面造型，甚至部分特征還需要依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)直接創(chuàng)建。
5、(2)設(shè)計(jì)時(shí)間不可控：光順建模沒有明確的特征參數(shù)，一般情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)不同，存在多輪建模與分析的迭代。
6、(3)減重效果不可控：通過光順建模的模型特征缺少精確的設(shè)計(jì)參數(shù)，可能存在過設(shè)計(jì)的特征，難以根據(jù)力學(xué)性能校核結(jié)果再優(yōu)化減重。
7、(4)初始約束邊界合理性不可控：拓?fù)鋬?yōu)化的初始約束接口邊界是在一定的設(shè)計(jì)布局空間下由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定，部分接口對(duì)支架的性能影響很小，存在冗余或不合理的可能性。
8、(5)外形美觀不可控：設(shè)計(jì)師一般是機(jī)械設(shè)計(jì)加工思維，只考慮達(dá)到性能的結(jié)構(gòu)，支架的粗細(xì)過渡等特征建?？赡艽嬖诓缓椭C的狀態(tài)。
9、(6)定制化設(shè)計(jì)：光順建模均根據(jù)某一拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果定制化設(shè)計(jì)，最終模型沒有可直接調(diào)整的參數(shù)，無法直接用于相似結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，當(dāng)初始狀態(tài)發(fā)生微調(diào)，所有優(yōu)化設(shè)計(jì)過程需要重做一遍。
10、綜上，目前采用的拓?fù)鋬?yōu)化直接光順建模設(shè)計(jì)方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，但由于其存在設(shè)計(jì)參數(shù)、時(shí)間、減重效果等不可控的先天設(shè)計(jì)缺陷，在實(shí)際工程應(yīng)用中，拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造相結(jié)合的輕量化技術(shù)不能體現(xiàn)短周期優(yōu)勢，甚至比依靠經(jīng)驗(yàn)的直接減重設(shè)計(jì)工作量還大，對(duì)于單件或小批量零件并沒有大規(guī)模應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將不可控的光順建模設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽氐膮?shù)化建模設(shè)計(jì)，有效地降低了結(jié)構(gòu)重量，為星上支架類結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供參考。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是：
3、一種星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟，
4、(1)確定設(shè)計(jì)接口約束；
5、在星上依據(jù)設(shè)備的極性、視場、位置布局約束，建立設(shè)備布局模型，確定準(zhǔn)備進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)支架的設(shè)計(jì)接口約束，包括設(shè)備與支架之間安裝接口、支架與星體之間安裝接口；
6、(2)設(shè)計(jì)初始模型；
7、依據(jù)所述設(shè)計(jì)接口約束建立拓?fù)鋬?yōu)化前的初始模型，并依據(jù)所述設(shè)計(jì)接口約束劃分設(shè)計(jì)空間與非設(shè)計(jì)空間；
8、所述設(shè)計(jì)空間是指模型的可優(yōu)化區(qū)域，允許對(duì)該區(qū)域的材料分布進(jìn)行優(yōu)化；
9、所述非設(shè)計(jì)空間是指模型的非優(yōu)化區(qū)域，不允許對(duì)該區(qū)域的材料分布進(jìn)行優(yōu)化，包括模型中與外界有機(jī)械接口的部分；
10、(3)設(shè)置仿真條件；
11、在所述初始模型中設(shè)置仿真條件，包括固定約束、載荷條件、零件材料，完成仿真前處理工作；
12、(4)設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)；
13、設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)，星上支架采用最大化剛度或最小化質(zhì)量作為拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)；
14、(5)確認(rèn)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果；
15、由拓?fù)鋬?yōu)化軟件完成拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算后，得到體現(xiàn)材料分布的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果幾何模型；
16、(6)基于桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維參數(shù)化建模；
17、依據(jù)所述拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果幾何模型，利用三維cad軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，通過拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果幾何模型確定支架的連接節(jié)點(diǎn)，再將各連接節(jié)點(diǎn)使用桿系結(jié)構(gòu)連接，形成基于桿系結(jié)構(gòu)的參數(shù)化三維模型；
18、(7)確定桿系結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)；
19、將各連接桿的有無、截面尺寸作為優(yōu)化參數(shù)，結(jié)構(gòu)剛度與重量作為綜合優(yōu)化目標(biāo)，開展各參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)剛度性能的影響分析，進(jìn)而確定桿系結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)；
20、(8)開展面向制造的設(shè)計(jì)；
21、基于確定的桿系結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)形狀，開展面向制造的設(shè)計(jì)，包括連接點(diǎn)設(shè)計(jì)、倒圓角設(shè)計(jì)、工藝孔設(shè)計(jì)，形成面向制造的三維模型；
22、(9)力學(xué)性能校核；
23、使用有限元分析方法對(duì)支架零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析校核，若結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能不滿足要求，則返回步驟(7)局部調(diào)整桿系結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行再設(shè)計(jì)。
24、進(jìn)一步的，步驟(6)基于桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維參數(shù)化建模，具體為：
25、(6.1)設(shè)計(jì)接口參數(shù)化三維建模；
26、(6.2)將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果幾何模型的幾何形狀交叉點(diǎn)設(shè)置為連接節(jié)點(diǎn)，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果幾何模型走向趨勢，使用圓桿特征連接各連接節(jié)點(diǎn)，形成基于桿系結(jié)構(gòu)的參數(shù)化三維模型，并對(duì)各連桿進(jìn)行編號(hào)。
27、進(jìn)一步的，步驟(7)確定桿系結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，具體為：
28、(7.1)分析確定單實(shí)心桿狀態(tài)參數(shù)對(duì)支架一階固有頻率的影響；
29、(7.2)分析確定多桿組合狀態(tài)參數(shù)對(duì)支架一階固有頻率的影響；
30、(7.3)進(jìn)行桿系結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)化三維建模；
31、(7.4)對(duì)連桿截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定桿系結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。
32、進(jìn)一步的，步驟(7.1)分析確定單實(shí)心桿狀態(tài)參數(shù)對(duì)支架一階固有頻率的影響，具體為：
33、(7.1.1)所有連桿均為實(shí)心，調(diào)整每根連桿的外徑參數(shù)，其中外徑0mm表示取消此連桿，分別計(jì)算得到不同單桿不同外徑參數(shù)的支架一階固有頻率與重量；
34、(7.1.2)由步驟(7.1.1)的計(jì)算結(jié)果得到支架一階固本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(6)基于桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維參數(shù)化建模，具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(7)確定桿系結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，具體為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(7.1)分析確定單實(shí)心桿狀態(tài)參數(shù)對(duì)支架一階固有頻率的影響，具體為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(7.1.3)中改變某根連桿的外徑不小于最小外徑范圍時(shí)對(duì)一階固有頻率的變化率，其計(jì)算方法具體為：
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(7.1.3)某根連桿的不同外徑對(duì)支架一階固有頻率的影響程度根據(jù)支架實(shí)際情況確定，當(dāng)取消或者改變直徑時(shí)對(duì)支架一階固有頻率的影響均不足一定值時(shí)，此連桿可以取消。
7.根據(jù)
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(7.2)分析確定多桿組合狀態(tài)參數(shù)對(duì)支架一階固有頻率的影響，具體為：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(7.2.3)中的重量變化率，其計(jì)算方法具體為：
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(7.2.3)后續(xù)優(yōu)化狀態(tài)為多連桿組合下的一階固有頻率的變化率與重量變化率間的比值低于某一定值的狀態(tài)，該狀態(tài)表明該多連桿組合對(duì)支架的一階固有頻率的影響在可接受范圍內(nèi)，將該多連桿同時(shí)取消不會(huì)對(duì)支架一階固有頻率產(chǎn)生不可接受的影響，當(dāng)該多連桿中存在與星體間連接接口連接的連桿時(shí)，能夠減少支架和星體間的安裝接口。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(7.4)對(duì)連桿截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定桿系結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，具體為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(6)基于桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維參數(shù)化建模，具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(7)確定桿系結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，具體為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟(7.1)分析確定單實(shí)心桿狀態(tài)參數(shù)對(duì)支架一階固有頻率的影響，具體為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(7.1.3)中改變某根連桿的外徑不小于最小外徑范圍時(shí)對(duì)一階固有頻率的變化率，其計(jì)算方法具體為：
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(7.1.3)某根連桿的不同外徑對(duì)支架一階固有頻率的影響程度根據(jù)支架實(shí)際情況確定，當(dāng)取消或者改變直徑時(shí)對(duì)支架一階固有頻率的影響均不足一定值時(shí)，此連桿可以取消。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的星上支架類結(jié)構(gòu)的可控形狀混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉江，張?jiān)玛?/a>，田宗軍，劉質(zhì)加，扈勇強(qiáng)，馮振偉，徐欣，沈理達(dá)，謝德巧，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：航天東方紅衛(wèi)星有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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