1 设计条件
某卫星型号由于空间和质量要求严格,需要对动量轮支架进行综合优化分析,达到“功能优先”、质量可控的效果。动量轮支架设计条件如下:
设备的安装接口为4个M8的螺孔,均布在Φ70 的节圆上,设备最大外形尺寸为345mm×345mm×118mm。设备重量为7.9kg,惯量为Ill=0.12kg·m2,Ibb=0.07kg·m2,Ihh=0.07kg·m2,方向见图1。质心位于设备中心距安装面57mm处。
图1 惯量方向
1) 刚度要求:以质量点(考虑惯量)模拟设备,在设备支架与星体连接点固支状态下,组合体纵向(Z向)和横向(X/Y向)一阶频率不小于230Hz。
2) 强度要求:以质量点模拟设备,在设备支架与星体连接点固支、横向(X或Y向,需分别校核)30g、纵向(Z向)30g的横纵联合加载准静态载荷条件下,强度裕度应满足设计要求:
3) 裕度=(屈服强度/von Mises应力)-1,裕度需>0。
4) 支架材料为铝合金,弹性模量=70GPa,泊松比=0.31,密度 = 2700kg/m3,材料屈服极限为260MPa。
5) 支架与星体之间的连接点数量不限。
2 Inspire拓扑优化
动量轮支架传统设计形式如图2所示,自身重量为1kg。
图2 动量轮支架传统设计
设计难点在于:头大脚小,头重脚轻,要求支架具备高刚主、高强、高结构承载比,因此需要进行轻量化设计。实现轻量化有三种途径:传力路径最直接、应力分布最均匀,结构承载比高。这三种途径均涉及优化设计问题。目前有尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化四种方式,前三种用的比较多,拓扑优化在以往公认的,是结构优化领域难度最大,也是最具挑战性的课题之一,但拓扑优化可以提供概念性设计方案,其所取得的显著经济效益也是其它方法所无法比拟的。拓扑优化可以解决传力路径的优化问题,可以在设计空间中实现材料的最均匀分布, INSPIRE优化设计软件,使得这一最具挑战性的课题变得易如反掌。除了先进的优化方法,新型结构的大胆尝试也可以很大程度上提升结构承载比。如利用仿生学研究的点阵结构。
图3 仿生点阵结构
基于以上考虑,设计过程中,始终以最轻为设计目标,以最刚、最强为设计约束,结合要求及约束条件,梳理了设计思路,开展了多方案的对比分析及优化设计,流程如图2所示。
图4 优化设计思路及流程
为了得到较好的初始构型,在设计之初进行了多方案的对比工作,并分别对其强度、刚度进行计算。选定了两种初始构型方案,并与给定模型进行了对比分析,三种模型对比如表1所示。
表1 多方案初步对比分析
通过上述对比分析,方案F3为上下法兰面之间采用光滑过渡的圆形壳体连接,整体刚度较优,故以该结构形式作为后续开展详细设计及优化的基础。
第一轮优化:基于方案F3的结构形式,以支架与星体的连接点固定为边界条件,以重量为优化目标,强度、刚度为约束条件,开展拓扑优化分析。优化采用Inspire软件进行,优化结果如图3所示。
图5 拓扑优化结果拓
通过拓扑优化,主传力路径清晰可见,结构重量减少30%以上,减重效果明显。