CN112329163B - 基于固有特性约束的航天器支架拓扑晶格仿生设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于零件设计领域，具体涉及一种基于固有特性约束的航天器支架拓扑晶格仿生设计方法。包括如下步骤：步骤(1)：航天器支架模型最大化频率的拓扑优化；步骤(2)：最大化频率三维点阵结构设计；步骤(3)：根据应力云图，为步骤(1)拓扑优化后的航天器支架填充步骤(2)优化的三维点阵结构实现进一步减重。本发明的优化设计方法，通过将“拓扑优化”和“三维点阵结构设计”相结合，融合拓扑优化减重量大以及点阵结构设计减重部位选取灵活的优点，在保证零件结构的力学性质以及固有频率的同时，达到了进一步减材减重的目的。

Description

基于固有特性约束的航天器支架拓扑晶格仿生设计方法

技术领域

本发明属于零件设计领域，具体涉及一种基于固有特性约束的航天器支架拓扑晶格仿生设计方法。

背景技术

航天器正向着超高速、深空探测、多功能方向发展，也面临更多需求。由于发射环境及空间环境的复杂性，航天器服役条件恶劣。发射过程中，航天器需承受严酷的随机振动载荷，主要由火箭整流罩外的气动噪声和发动机燃烧不稳产生的推力脉动引起，最终通过星箭对接面传给航天器。其中由气动噪声引起的星箭界面随机振动频率上限可达2000Hz以上。随机振动环境极易激起航天器主次结构的共振响应以及局部动力响应过大，导致结构破坏，局部失稳。因此航天器结构需要承受高载荷、轻量化、高稳定性等，以改善其抵抗随机振动环境的能力。

现阶段，航天器支架的优化设计方法通常为尺寸优化、拓扑优化以及材料优化。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。拓扑优化的过程就是寻找最优材料分布的过程，在拓扑优化过程中去除无用或影响较小的材料形成空洞，从而达到减小质量、体积等的目的。现有的拓扑优化设计对象主要是连续体结构，拓扑优化分析也大多建立在有限元法结构分析的基础上。由于有限元法中单元网格的存在，结构拓扑优化过程中常常出现灰度单元，网格依赖性和棋盘格等数值不稳定的现象，这些问题的存在使得零件的可制造性下降([期刊论文]母德强,范以撒-《中国机械》2014年2期)。

金属三维点阵结构是一种新型轻质多功能结构，具有良好的力学性能，点阵中间为镂空结构，由于其轻量化和承载性能强的特点，在近年来备受关注。ConceptLaser公司采用三维点阵结构实现钛合金叶片的中空设计，与原有的设计方式相比，零件加工材料使用量降低70％，增材制造加工效率提升了60％。传统的三维点阵结构的胞元类型主要包括体心立方、面心立方、金字塔、Kagome等构型有限的杆状胞元，其胞元构型内杆结构形式单一，设计空间有限，且针对该类结构的研究基本上聚焦于力学承载性能，对其固有约束特性的研究以及针对新型三维点阵结构优化设计的研究较为少见。(一种增材制造的发动机涡轮冷却叶片，申请/专利号：CN202010158483.3)

综上所述，现有技术中，航天器支架的优化设计方法通常为尺寸优化、拓扑优化以及材料优化、三维点阵结构优化，存在如下问题：

(1)尺寸优化对航天器整体尺寸的设计有着较显著的影响，制约了航天器的设计空间及航天器性能。

(2)材料优化以研制新型材料为途径，该方法通常研究成本大、时间周期长，制约航天器支架的研发周期。

(3)三维点阵结构目前胞元构型形式单一，设计空间有限，且针对其固有约束特性的研究以及针对新型三维点阵结构优化设计的研究较为少见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于固有特性约束的航天器支架结构拓扑晶格仿生设计方法，提供一种针对保证航天器支架固有频率前提下的拓扑晶格仿生设计方法。通过对支架模型进行最大化频率的拓扑仿生优化，并对支架模型进行应力分析，将应力小的部位填充自行设计的三维点阵结构，对支架做进一步减重优化，使支架减重20％以上，并保证支架固有频率达到目标100Hz以上。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于固有特性约束的航天器支架拓扑晶格仿生设计方法，包括如下步骤：

步骤(1)：航天器支架模型最大化频率的拓扑优化；

步骤(2)：最大化频率三维点阵结构设计；

步骤(3)：根据应力云图，为步骤(1)拓扑优化后的航天器支架填充步骤(2)优化的三维点阵结构实现进一步减重。

进一步的，所述步骤(1)包括如下步骤：

步骤(1-1)：利用三维建模软件建立待优化的航天器支架模型；

步骤(1-2)：将初始模型导入有限元分析软件，设置模型的材料属性，通过自动划分四面体网格，运算得出初始模型的第一阶固有频率；

步骤(1-3)：将初始模型导入拓扑优化软件，对模型施加约束和载荷，对支架模型进行最大化频率的拓扑仿生优化，得到初步优化后的模型，对初步优化后的不规则模型进行平滑、连续处理。

进一步的，所述步骤(1-3)具体包括如下步骤：

步骤(1-3-1)：将模型材料选择为铝合金材料，将零件的主体优化区域设置为设计区域，在非设计区域上施加约束和载荷；

步骤(1-3-2)：在优化操作中选择优化拓扑优化，优化目标为保持最大化刚度的同时质量减重30％，开始进行初步优化；

步骤(1-3-3)：得到初步优化结果后，手动对结果进行细微调节，使零件各部分材料达到连接状态；

步骤(1-3-4)：完成模型一半结构的顺滑连接，然后利用镜像功能做出另外一半的光滑拓扑结构，最后得到结构规则且对称的新的拓扑优化模型。

进一步的，所述步骤(2)包括如下步骤：

步骤(2-1)：设计三维点阵结构，对单个三维点阵结构CAD模型进行约束、载荷处理，运用拓扑优化软件对三维点阵结构进行拓扑仿真优化，得到优化后的不规则三维点阵结构模型；

步骤(2-2)：通过三维建模软件，对步骤(2-1)优化好的不规则三维点阵结构模型进行重新建模；

步骤(2-3)：将步骤(2-2)制作的三维点阵结构预处理，添加至模型处理软件，制成填充结构。

进一步的，所述步骤(2-1)具体包括如下步骤：

步骤(2-1-1)：参考体心立方点阵结构，将中部的八个连杆，每两个相邻连杆确定连接成一个平面，且保证四个平面交于一条直线，其目的是为了在后期受力分析过程中找到平面内应力较小的部位，并切除，绘制单个立方体CAD模型；

步骤(2-1-2)：将单个立方体CAD模型导入拓扑优化软件中，对模型添加约束和载荷，其添加方式为立方体8个顶角处在三个相邻边的方向上，分别加以指向模型的三个分力；

步骤(2-1-3)：对添加约束、受力处理后的模型进行最大化频率的拓扑优化，设置其优化质量目标为设计空间总体积的30％，添加厚度约束最小为0.2mm，进行拓扑优化处理，得到优化后的不规则三维点阵结构模型。

进一步的，所述步骤(3)包括如下步骤：

步骤(3-1)：将步骤(1-1)建立的支架模型进行预处理，导入有限元分析软件，进行网格剖分、边界条件设置及有限元仿真求解分析，得到支架的应力云图；

步骤(3-2)：分析支架的应力云图，使用模型处理软件将支架应力小的区域进行切割划分，并填充步骤(2-3)得到的三维点阵结构，实现支架的进一步减重优化；

步骤(3-3)：将填充完三维点阵结构的支架模型进行预处理，导入有限元分析软件，验证模型的固有频率。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明的优化设计方法，通过将“拓扑优化”和“三维点阵结构设计”相结合，融合拓扑优化减重量大以及点阵结构设计减重部位选取灵活的优点，在保证零件结构的力学性质以及固有频率的同时，达到了进一步减材减重的目的。

附图说明

图1是支架零件的初始三维结构示意图。

图2是零件初始模型测量固有频率的结果。

图3是零件初始模型进行初步拓扑优化得到的结果。

图4是对初步优化结果进行平滑、连续处理后的优化结果。

图5是未优化的单胞模型正等轴测图。

图6是模型约束、载荷处理示意图。

图7是拓扑优化后的不规则三维点阵结构模型的正等轴测图。

图8是减重达到30％的点阵结构优化模型的正等轴测图。

图9是航天器支架的应力分析云图。

图10是填充完点阵结构的航天器支架模型的正等轴测图。

图11是填充完点阵结构的支架模型测量固有频率结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

为了达到上述目的，得到最终优化处理结果，以下将结合附图，对本发明做进一步详尽说明：

步骤1，利用三维模型设计软件CATIA V5设计的支架初始模型如图1所示。模型的长宽高大致尺寸为135mm×37mm×66mm。初始模型呈左右对称结构；

步骤2，将初始模型导入ABAQUS有限元分析软件，将铝合金材料的密度、弹性模量和泊松比等属性赋予零件模型，通过自动划分四面体网格，运算得出初始模型的第一阶固有频率为1249.2Hz，如图2所示；

步骤3，将初始模型导入SolidThinking Inspire拓扑优化软件，进行初步拓扑优化分析；

步骤3.1首先将模型材料选择为软件材料库的铝合金材料，然后将零件的主体优化区域设置为设计区域，在非设计区域上施加约束和载荷。

步骤3.2在优化操作中选择优化拓扑优化，优化目标为保持最大化刚度的同时质量减重30％，开始进行初步优化。

步骤3.3得到初步优化结果后，手动对结果进行细微调节，使零件各部分材料达到连接状态。优化结果如图3所示。

步骤4，利用SolidThinking Inspire软件中自带的polyNURBS操作的包覆功能完成模型一半结构的顺滑连接，然后利用镜像功能做出另外一半的光滑拓扑结构，最后得到结构规则且对称的新的拓扑优化模型如图4所示；

步骤5，设计三维点阵结构，对单个立方体CAD模型进行约束、载荷处理，运用拓扑优化软件对立方体进行拓扑仿真优化，得到单个点阵优化结构；

步骤5.1参考体心立方点阵结构，将中部的八个连杆，每两个相邻连杆确定连接成一个平面，且保证四个平面交于一条直线，其目的是为了在后期受力分析过程中找到平面内应力较小的部位，并切除。绘制外侧长度为1mm×1mm×1mm的单个立方体CAD模型如图5所示。

步骤5.2将模型导入Solid Thinking Inspire拓扑优化软件中，对模型添加约束和载荷，其添加方式为立方体8个顶角处在三个相邻边的方向上，分别加以指向模型的三个分力，其示意图如图6所示。

步骤5.3对添加约束、受力处理后的模型进行最大化频率的拓扑优化，设置其优化质量目标为设计空间总体积的30％，添加厚度约束最小为0.2mm，进行拓扑优化处理，得到优化后的不规则三维点阵结构模型如图7所示。

步骤6，通过三维建模软件，对优化好的不规则三维点阵结构模型进行重新建模；

步骤6.1利用Creo Parametric三维建模软件，去除不规则三维点阵结构模型中未连接的部位，平滑处理模型中不规则表面，绘制成规则的点阵结构优化模型。

步骤7，将优化前与优化后的模型预处理后导入到分析软件中，测量其各自体积；

步骤7.1将未处理的单个立方体CAD模型(图5)，以及步骤5得到的规则的点阵结构优化模型导入到Creo Simulate3D虚拟原型设计软件，应用测量功能，测量模型体积。最终测得未处理的单个立方体CAD模型(图5)体积为0.524mm³，规则的点阵结构优化模型体积为0.416mm³。

步骤8，重复步骤5和步骤6，将模型体积优化30％；

步骤8.1按照拓扑优化的不规则三维点阵结构模型，将受力较小的部位继续在Creo软件中进行切除，直至体积减少30％的目标，绘制成规则的点阵结构优化模型图8，最终测得体积为0.321mm³，实际减重38％，达到减重目标。

步骤9，将步骤1设计绘制的支架模型进行预处理，导入有限元分析软件，进行网格剖分、边界条件设置及有限元仿真求解分析，得到支架的应力云图；

步骤9.1通过优化软件生成的支架模型由三角面片拼接而成，包含表面形状信息，将STL格式支架模型导入到Magics软件中，修复模型的坏边和交叉的三角面片，导出STL格式模型。

步骤9.2使用网格划分软件Hepermesh，将其内部进行四面体网格划分以转换成实体结构，导入到ABAQUS软件分析；加入载荷、受力约束，得到支架的应力云图如图9所示。

步骤10，将步骤6中制作的点阵结构预处理，添加至模型处理软件，制成填充结构；

步骤10.1在Cero软件中将CAD格式的单个点阵结构转成STL格式，导入Magics模型处理软件，制成填充结构单元。

步骤11，分析支架的应力云图，使用模型处理软件将支架应力小的区域进行切割划分，并填充点阵结构，实现支架的进一步减重优化；

步骤11.1按照步骤9得到的应力云图，运用Magics模型处理软件现将应力小的部位进行切割。

步骤11.2再对切割部位填充步骤10导入的点阵，得到进一步减重的支架模型，图10为填充完点阵结构的航天器支架模型正等轴测图。

步骤12，将填充完点阵结构的支架模型进行预处理，导入ABAQUS有限元分析软件，验证模型的固有频率为1039.8HZ，达到100Hz的要求，其测量结果如图11。

综上所述，本发明的优化设计方法，通过将“拓扑优化”和“点阵结构设计”相结合，将航天器支架经过拓扑优化，从体积71441.8in³减小到41316.1in³，再经过添加点阵结构设计，将体积进一步减小到37088.9in³，其减重达到48％，同时维持支架固有频率的相对变化，未优化时的1249.2HZ，优化后仅减小到的1039.8HZ。

Claims (3)

1.一种基于固有特性约束的航天器支架拓扑晶格仿生设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：航天器支架模型最大化频率的拓扑优化；

步骤(2)：最大化频率三维点阵结构设计；

步骤(3)：根据应力云图，为步骤(1)拓扑优化后的航天器支架填充步骤(2)优化的三维点阵结构实现进一步减重；

所述步骤(1)包括如下步骤：

步骤(1-1)：利用三维建模软件建立待优化的航天器支架模型；

步骤(1-2)：将初始模型导入有限元分析软件，设置模型的材料属性，通过自动划分四面体网格，运算得出初始模型的第一阶固有频率；

步骤(1-3)：将初始模型导入拓扑优化软件，对模型施加约束和载荷，对支架模型进行最大化频率的拓扑仿生优化，得到初步优化后的模型，对初步优化后的不规则模型进行平滑、连续处理；

所述步骤(2)包括如下步骤：

步骤(2-1)：设计三维点阵结构，对单个三维点阵结构CAD模型进行约束、载荷处理，运用拓扑优化软件对三维点阵结构进行拓扑仿真优化，得到优化后的不规则三维点阵结构模型；

步骤(2-2)：通过三维建模软件，对步骤(2-1)优化好的不规则三维点阵结构模型进行重新建模；

步骤(2-3)：将步骤(2-2)制作的三维点阵结构预处理，添加至模型处理软件，制成填充结构；

所述步骤(2-1)具体包括如下步骤：

步骤(2-1-1)：参考体心立方点阵结构，将中部的八个连杆，每两个相邻连杆确定连接成一个平面，且保证四个平面交于一条直线，其目的是为了在后期受力分析过程中找到平面内应力较小的部位，并切除，绘制单个立方体CAD模型；

步骤(2-1-2)：将单个立方体CAD模型导入拓扑优化软件中，对模型添加约束和载荷，其添加方式为立方体8个顶角处在三个相邻边的方向上，分别加以指向模型的三个分力；

步骤(2-1-3)：对添加约束、受力处理后的模型进行最大化频率的拓扑优化，设置其优化质量目标为设计空间总体积的30％，添加厚度约束最小为0.2mm，进行拓扑优化处理，得到优化后的不规则三维点阵结构模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1-3)具体包括如下步骤：

步骤(1-3-1)：将模型材料选择为铝合金材料，将零件的主体优化区域设置为设计区域，在非设计区域上施加约束和载荷；

步骤(1-3-2)：在优化操作中选择优化拓扑优化，优化目标为保持最大化刚度的同时质量减重30％，开始进行初步优化；

步骤(1-3-3)：得到初步优化结果后，手动对结果进行细微调节，使零件各部分材料达到连接状态；

步骤(1-3-4)：完成模型一半结构的顺滑连接，然后利用镜像功能做出另外一半的光滑拓扑结构，最后得到结构规则且对称的新的拓扑优化模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下步骤：

步骤(3-1)：将步骤(1-1)建立的支架模型进行预处理，导入有限元分析软件，进行网格剖分、边界条件设置及有限元仿真求解分析，得到支架的应力云图；

步骤(3-2)：分析支架的应力云图，使用模型处理软件将支架应力小的区域进行切割划分，并填充步骤(2-3)得到的三维点阵结构，实现支架的进一步减重优化；

步骤(3-3)：将填充完三维点阵结构的支架模型进行预处理，导入有限元分析软件，验证模型的固有频率。

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