一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法技术

一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法，属于卫星有效载荷支撑结构设计领域。首先，建立初始模型，对其进行有限元网格划分得到有限元模型；其次，将有限元模型划分成可设计域与不可设计域，对可设计域进行宏观拓扑优化设计，得到拓扑优化构型；再次，对拓扑优化构型进行几何修复，减少拓扑构型中的模糊边界，增加设计支座的可制造性。最后，对卫星支座的几何修复构型进行介观点阵填充。本发明专利技术在保证支座类结构高稳定性的基础上，能够降低结构质量，减少航天发射过程中成本；利用了基于等参元变换的单胞填充技术，可以实现拓扑构型中不规则区域的快速点阵填充；提出了直接面向增材制造技术的多层级卫星支座类结构创新设计方法。设计方法。设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法


[0001]本专利技术属于卫星有效载荷支撑结构设计领域，尤其涉及一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法。适用于太空环境下卫星可见光成像仪、高光谱成像仪和雷达成像仪等有效载荷的支座结构动力学稳定性和轻量化设计。

技术介绍

[0002]支座类结构可以为直接执行特定卫星任务的各种有效载荷提供稳定的支撑，是卫星系统中的关键部件之一。在有效载荷工作过程中，容易受到动量轮和制冷机等振动源的干扰。这些振动所产生的动力学响应轻则引起拍摄系统的精度和寿命下降，重则导致支座结构的疲劳和破坏等。因此，支座类结构除了为有效载荷提供可靠的支撑外，还应该具有良好的动力学性能。与此同时，随着航天工业和科学技术的进步，航天器结构逐渐向着集成化、复杂化的方向发展，这导致空间探测成本急剧增加，轻量化设计已经成为航天器结构设计的重中之重。据可靠统计，当航天器质量减轻1kg时，可节省大约10000美元的发射成本。因此，在卫星支座类结构设计中，需要协同考虑动力学和轻量化双重设计指标，在提升结构基频的同时，尽可能降低支座类结构的质量，从而节约航天器发射成本。
[0003]采用拓扑优化方法可以获得结构的最优传力路径，在提升结构性能的同时，实现结构的轻量化设计。但传统的拓扑优化大多集中在宏观结构的单尺度设计，没有考虑宏介观的耦合效应。特别是对于点阵结构，单一的宏观或者介观优化难以充分发挥其的力学性能。而面临日益复杂和苛刻的卫星结构服役环境(特别是动力学环境)和轻量化的需求，单一的采用新材料或创新结构构型已经不能满足设计中的迫切需求。

技术实现思路

[0004]为了达到上述技术目的，本专利技术提出一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法，用于提高卫星有效载荷的服役精度和节约发射成本。借鉴多尺度优化思想，本专利技术采用一种尺度解耦的双层级设计(宏观层级设计和介观层级设计)方案，在满足轻量化要求的同时，提高支座类结构的基频，以避免由于振动而引起的有效载荷设计精度下降。并且由于拓扑优化结构设计造成的复杂几何形状和点阵填充带来的多尺度制造难题，难以通过传统制造技术直接生产此类设计结果。因此需要在设计过程中考虑增材制造约束，提出直接面向增材制造的结构设计方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法，具体步骤包括：
[0007]S1、建立初始模型：
[0008]根据卫星的有效载荷类型、卫星支座几何约束要求和卫星支座安装要求来建立有效载荷支座结构的初始模型；
[0009]S2、建立有限元分析模型：
[0010]对步骤S1建立的初始模型进行有限元网格划分得到有限元模型，并对有限元模型
的边界条件，载荷和材料参数进行设置；
[0011]S3、宏观拓扑优化：
[0012]根据有效载荷与支座间的连接要求以及支座与卫星平台间的安装要求，将有限元模型划分成可设计域与不可设计域，对可设计域进行宏观拓扑优化设计，得到拓扑优化构型。具体如下：
[0013]S31、根据实际的工程需求定义优化问题。为了获取具备高动力学稳定性的支座类结构，保证有效载荷的服役精度，在宏观层级优化中，以结构基频最大化为目标，单元密度x为设计变量，材料用量为约束，对支座结构进行拓扑优化。具体的优化列式如下所示：
[0014]find x＝[x1，x2，
…
，x
i
，
…
，x
n
]T
，(i＝1，2，
…
n)
[0015]max λ1＝(ω1)2[0016]s.t.Kφ
j
‑
λ
j
Mφ
j
＝0，(j＝1，2，..m)
[0017][0018][0019]0≤δ≤≤ρ
i
≤1
[0020]其中，x
i
(i＝1，2，3
…
n)表示设计域内每个单元的密度，n为可设计域内的单元总数；当x
i
＝1时，单元内部充满材料，当x
i
＝0时，单元则不包含任何材料。λ
j
为支座结构的第j阶特征值，λ1为结构基频对应的特征值，基频f1可通过圆频率ω1求得，即f1＝ω1/2π。m为结构的总自由度数目，K和M分别为结构的刚度阵和质量阵，φ
j
为第j阶模态。m
i
为第个单元的质量，m0为材料用量的上限值。δ为取值很小的正数，以防止优化中的刚度阵奇异。
[0021]S32、根据上述优化列式，进行卫星支座结构基频最大化宏观拓扑优化设计，得到卫星支座的宏观设计构型。
[0022]S4、对拓扑优化构型进行几何修复：
[0023]几何修复的目的在于减少拓扑构型中的模糊边界，增加设计支座的可制造性，具体如下，
[0024]S41，观察宏观设计构型，确定质量分布特性。沿着宏观设计构型模糊边界的最外侧进行材料补齐，以获得具有规整外表面的支座结构。
[0025]S42，对S42步骤中具有规整外表面的支座结构进行动力学有限元分析，并获取其一阶动力学模态。
[0026]S43，基于一阶动力学模态的结构变形模式，来对S41所产生的结构进行局部尺寸优化，主要在于保留结构抗振动能力不变的基础上，逐步移除对抗振动能力不敏感部分的材料，降低支座结构质量，获得支座结构的几何修复构型。
[0027]S5、对卫星支座的几何修复构型进行介观点阵填充：
[0028]根据支座结构几何修复构型的局部几何特性和质量分布选择介观点阵填充区域。虽然对宏观层次设计结果进行了后处理(此处后处理指步骤S4对拓扑优化构型的几何修复)，但是仍然难以保证介观点阵填充区域为规则的立方体区域。因此，本专利技术利用了基于等参元变换的单胞填充方法来进行不规则六面体点阵单胞的填充。详细的支座点阵填充步骤如下：
[0029]S51、从步骤S4几何修复构型中选取填充区域，并移除填充区域内的材料；
[0030]S52、基于等参元变换的单胞填充方法，确定待填充区域中所有介观点阵的节点信息；
[0031]S53、在介观点阵结构生成过程中，需要对实际接触的两个杆件的相连端点处设置球模型，来满足增材制造技术的可制造性。
[0032]S54、将S53生成的介观点阵结构与S51中移除填充区域材料后的几何修复构型合并，获得最终具有点阵填充的支座最终构型。
[0033]本专利技术的专利技术效果为：
[0034](1)本专利技术考虑卫星支座类结构的动力学特性和轻量化需求，通过包含宏观拓扑优化设计和介观点阵填充技术实现有效载荷支座的创新构型设计。相比于单一层级的设计方法，在保证支座类结构高稳定性的基础上，进一步降低结构质量，减少航天发射过程中的经济成本。
[0035](2)本专利技术利用了基于等参元变换的单胞填充技术，可以实现拓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立初始模型：根据卫星的有效载荷类型、卫星支座几何约束要求和卫星支座安装要求来建立有效载荷支座结构的初始模型；S2、建立有限元分析模型：对步骤S1建立的初始模型进行有限元网格划分得到有限元模型，并对有限元模型的边界条件，载荷和材料参数进行设置；S3、宏观拓扑优化：根据有效载荷与支座间的连接要求以及支座与卫星平台间的安装要求，将有限元模型划分成可设计域与不可设计域，对可设计域进行宏观拓扑优化设计，得到拓扑优化构型；S4、对拓扑优化构型进行几何修复，减少拓扑构型中的模糊边界，增加设计支座的可制造性；S5、对卫星支座的几何修复构型进行介观点阵填充；根据支座结构几何修复构型的局部几何特性和质量分布选择介观点阵填充区域。2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化和点阵填充的卫星支座类结构设计方法，其特征在于，所述的步骤S3具体如下：S31，根据实际的工程需求定义优化问题；为了获取具备高动力学稳定性的支座类结构，保证有效载荷的服役精度，在宏观层级优化中，以结构基频最大化为目标，单元密度x为设计变量，材料用量为约束，对支座结构进行拓扑优化；具体的优化列式如下所示：find x＝[x1，x2，
…
，x
i
，...，x
n
]
T
，(i＝1，2，
…
n)max λ1＝(ω1)2s.t.Kφ
j
‑
λ
j
Mφ
j
＝0，(j＝1，2，..m)＝0，(j＝1，2，..m)0≤δ≤ρ
i
≤1其中，x
i
(i＝1，2，3
…
n)表示设计域内每个单元的密度，n为可设计域...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜洪泽，阎军，王福浩，步宇峰，许琦，姜立哲，赵春雨，耿东岭，
申请(专利权)人：大连理工大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：