CN116822193A - 一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法及卫星结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法及卫星结构，获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据样本点阵结构集和卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；依据目标点阵材料的等效参数和卫星初始主体结构生成目标卫星结构；依据实际点阵结构构型和目标卫星结构生成目标点阵结构分布；依据目标点阵结构分布和目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。通过优化后的夹层结构降低整体结构重量，提高卫星发射经济性；采用点阵结构的选型，避免后期迭代优化过程始终无法满足目标设计需求的问题；通过点阵结构等效性能参数的应用，使得在拓扑优化过程中避免了点阵结构的运算造成计算的严重耗时。
Description
技术领域
本申请涉及卫星设计技术领域，特别是一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法及卫星结构。
背景技术
微纳卫星(NanoSat)通常指质量小于10千克、具有实际使用功能的卫星。随着高新技术的发展和需求的推动，微纳卫星以体积小、功耗低、开发周期短，可编队组网，以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势，在科研、国防和商用等领域发挥着重要作用。
点阵材料是一种含有多孔微结构的高性能轻量化材料，是实现轻质结构功能一体化的有效载体，在航空航天等领域具有广阔的应用前景，点阵材料可用于制备卫星。卫星通常采用计算软件(例如ABAQUS、ANSYS、MSC等)进行优化设计，将卫星结构的宏观构型参数输入计算软件，通过计算软件计算其细观构型参数，以使卫星满足频率和重量的约束条件，得到卫星结构的优化模型。
发明人通过分析现有的卫星设计方法发现如下问题：后期迭代优化过程始终无法满足目标设计需求；计算过程耗时，迭代过程收敛困难；计算结果不能形成实体模型。
发明内容
鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分的解决所述问题的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法及卫星结构，包括：
一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法，所述卫星结构包括主体结构，所述主体结构由若干夹板组件组成，所述夹板组件包括夹层和相对设置在所述夹层两侧的夹板；所述方法包括：
获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；
依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；
依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；
依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
进一步地，所述依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构的步骤，包括：
将所述目标点阵材料的等效参数与所述卫星初始主体结构结合，得到第一结合模型；
对所述第一结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构。
进一步地，所述对所述第一结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构的步骤，包括：
建立所述第一结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；
确定第一设计变量和第一优化目标；其中，所述第一设计变量为所述第一结合模型点阵结构剩余体积百分比，所述第一优化目标为所述第一结合模型主体结构的总质量和频率；
依据所述第一结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第一设计变量和所述第一优化目标对所述第一结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构。
进一步地，所述依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布的步骤，包括：
依据所述实际点阵结构构型替代所述目标卫星结构的夹层，得到第二结合模型；
对所述第二结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
进一步地，所述对所述第二结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布的步骤，包括：
建立所述第二结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；
确定第二设计变量和第二优化目标；其中，所述第二设计变量为所述第二结合模型点阵结构的杆径和杆长，所述第二优化目标为所述第二结合模型的质量基本保持不变且强度最大；
依据所述第二结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第二设计变量和所述第二优化目标对所述第二结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
进一步地，所述依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数的步骤，包括：
依据所述样本点阵结构集建立点阵结构对应的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；
依据所述几何模型的边界、载荷条件和分析步生成等效参数；
将所述几何模型的等效参数带入所述卫星初始主体结构的夹层中，构建卫星主体结构的材料模型，并确定出所述材料模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；
依据所述材料模型的边界、载荷条件和分析步生成卫星基频；
通过卫星加工难度和对比所述样本点阵结构集的卫星基频，从所述样本点阵结构集中确定出目标点阵材料，并计算所述目标点阵材料的等效参数。
进一步地，所述方法还包括：
对具有梯度点阵材料的所述目标卫星结构中的梯度点阵结构和卫星主体结构进行基频试算，得到具有梯度点阵材料的卫星结构的基频；
若所述基频符合预设要求，则完成对目标卫星结构的设计；
若所述基频小于所述预设要求，则继续优化所述目标卫星结构和所述目标点阵结构分布。
进一步地，所述方法还包括：
通过增材制造技术打印出具有梯度点阵材料的所述目标卫星整体结构；
对所述目标卫星整体结构进行性能测试，确定第三设计变量和第三优化目标；
依据所述第三设计变量和所述第三优化目标生成最符合要求的具有梯度点阵材料的卫星整体结构。
一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计装置，所述卫星结构包括主体结构，所述主体结构由若干夹板组件组成，所述夹板组件包括夹层和相对设置在所述夹层两侧的夹板；所述装置包括：
数据获取模块，用于获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；
第一优化模块，用于依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；
第二优化模块，用于依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；
模型生成模块，用于依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
一种具有梯度点阵材料的卫星结构，所述卫星结构上述具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法设计得到，包括：主体结构和与所述主体结构连接的支架，所述主体结构由若干夹板组件组成，所述夹板组件包括夹层和相对设置在所述夹层两侧的夹板。
本申请具有以下优点：
在本申请的实施例中，相对于现有卫星设计方法难以满足需求、计算耗时以及计算结果难以形成实体模型的问题，本申请提供了对卫星夹层结构和主体结构进行优化的解决方案，具体为：获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。通过优化后的夹层结构能有效的降低整体结构重量，提高卫星发射经济性；采用点阵结构的选型，避免了后期迭代优化过程始终无法满足目标设计需求的问题；通过点阵结构等效性能参数的应用，使得在拓扑优化过程中避免了点阵结构的运算造成计算的严重耗时。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法的步骤流程图；
图2是本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法的步骤流程图；
图3是本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法的步骤流程图；
图4是本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计装置的结构框图；
图5是本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计装置的结构框图；
图6是本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计装置的结构框图；
图7是本发明一实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；
图8是本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构的结构示意图；
图9是本申请一实施例提供的主体结构的结构示意图；
图10是本申请一实施例提供的夹板组件的结构示意图；
图11是本申请一实施例提供的板体结构的结构示意图；
图12是本申请一实施例提供的三维点阵结构的结构示意图；
图13是本申请一实施例提供的三维点阵结构的结构示意图；
图14是本申请一实施例提供的三维点阵结构的结构示意图；
图15是本申请一实施例提供的点阵结构分布示意图；
图16是本申请一实施例提供的卫星结构的频率验证和校核的示意图。
说明书附图中的附图标记如下：
12、计算机设备；14、外部设备；16、处理单元；18、总线；20、网络适配器；22、I/O接口；24、显示器；28、内存；30、随机存取存储器；32、高速缓存存储器；34、存储系统；40、程序/实用工具；42、程序模块；50、主体结构；51、板体结构；510、夹板组件；511、夹层；512、夹板；520、连接件；52、单机设备；60、支架。
具体实施方式
为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
发明人通过分析现有技术发现：现有卫星设计过程中忽略了前期的结构选型，不能完全避免反复的迭代优化仍不能实现最后的结果收敛；计算过程耗时，迭代过程收敛困难；没有对强度和频率的联合迭代，参数优化和拓扑优化的结合；忽略了加工制造过程中的设计参数范围，计算结果不能形成实体模型。
需要说明的是，在本发明任一实施例中，提及的等效参数包括但不限于密度、泊松比、弹性模量等。
参照图1，示出了本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法，所述卫星结构包括主体结构50，所述主体结构50由若干夹板组件510组成，所述夹板组件510包括夹层511和相对设置在所述夹层511两侧的夹板512；
所述方法包括：
S110、获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；
S120、依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；
S130、依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；
S140、依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
在本申请的实施例中，相对于现有卫星设计方法难以满足需求、计算耗时以及计算结果难以形成实体模型的问题，本申请提供了对卫星夹层结构和主体结构进行优化的解决方案，具体为：获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。通过优化后的夹层结构能有效的降低整体结构重量，提高卫星发射经济性；采用点阵结构的选型，避免了后期迭代优化过程始终无法满足目标设计需求的问题；通过点阵结构等效性能参数的应用，使得在拓扑优化过程中避免了点阵结构的运算造成计算的严重耗时。
下面，将对本示例性实施例中一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法作进一步的说明。
如所述步骤S110所述，获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S110所述“依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数”的具体过程。
如下列步骤所述，依据所述样本点阵结构集建立点阵结构对应的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；依据所述几何模型的边界、载荷条件和分析步生成等效参数；将所述几何模型的等效参数带入所述卫星初始主体结构的夹层511中，构建卫星主体结构的材料模型，并确定出所述材料模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；依据所述材料模型的边界、载荷条件和分析步生成卫星基频；通过卫星加工难度和对比所述样本点阵结构集的卫星基频，从所述样本点阵结构集中确定出目标点阵材料，并计算所述目标点阵材料的等效参数。
需要说明的是，参照图12-14，所述样本点阵结构集包括被本领域设计工作者所熟知的常用的三维点阵结构，例如Kagome点阵材料、菱形十二面体点阵材料、金字塔形点阵材料(如图14所示)、四面体形点阵材料(如图13所示)和Octet点阵材料(如图12所示)等。
本发明采用了点阵结构的选型，避免了在后期迭代优化过程始终无法满足目标设计需求的问题。首先将样本点阵结构集这些点阵材料与卫星初始主体结构进行结合进行试算，得到点阵结构的等效参数，将等效参数带入卫星初始主体结构的夹层中511，构建夹层511的材料模型，创建卫星主体结构的材料模型，对卫星主体结构进行计算得到卫星的基频，通过对比计算的基频结果和目标要求，结合工艺加工的难度等特点，确定合适的点阵材料。
具体地，确定需要采用的点阵结构：将样本点阵结构集这些点阵材料与卫星主体结构进行结合进行试算；计算方法为：建立点阵结构的几何模型，建立点阵结构的材料模型，对几何模型进行网格划分，根据计算条件设置几何模型的边界和载荷条件，设置用于求解的分析步，最后提交计算得到点阵结构的等效参数，包括但不限于密度、泊松比、弹性模量等，将等效参数带入卫星初始主体结构的夹层中，构建夹层的材料模型，创建卫星主体结构的材料模型，对卫星主体结构进行网格划分、边界和载荷条件设置，并设置用于求解的分析步，得到卫星的基频，通过对比计算的基频结果和目标要求，结合工艺加工的难度等特点，确定合适的点阵材料。
如所述步骤S120所述，依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S120所述“依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构”的具体过程。
如下列步骤所述，将所述目标点阵材料的等效参数与所述卫星初始主体结构结合，得到第一结合模型；
如下列步骤所述，对所述第一结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明“对所述第一结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构”的具体过程。
如下列步骤所述，建立所述第一结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；确定第一设计变量和第一优化目标；其中，所述第一设计变量为所述第一结合模型点阵结构剩余体积百分比，所述第一优化目标为所述第一结合模型主体结构的总质量和频率；依据所述第一结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第一设计变量和所述第一优化目标对所述第一结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构。
将上述确定的点阵结构材料的等效参数带入卫星初始主体结构模型中，以结构剩余体积百分比为第一设计变量，以主体结构的总质量和频率为第一优化目标，对卫星主体结构形式进行拓扑优化；具体方法为：建立点阵结构的几何模型，建立点阵结构的材料模型，计算材料模型所需的参数，并对几何模型进行网格划分，根据计算条件设置几何模型的边界和载荷条件，设置用于求解的分析步，设置拓扑优化的设计变量和优化目标，建立优化模型，通过上述优化模型，可以得到在给定约束条件下，最优的卫星主体结构，其质量最小，基频最大。
具体地，参照图11，为卫星结构的板体结构的结构示意图，步骤S120为优化卫星主体结构的结构形式：将上述确定的点阵结构材料的等效参数带入卫星初始主体结构模型中，得到第一结合模型，以结构剩余体积百分比V为第一设计变量，以主体结构的总质量M和频率f为第一优化目标，对卫星主体结构形式进行拓扑优化；具体方法为：建立第一结合模型点阵结构的几何模型，建立点阵结构的材料模型，计算材料模型所需的参数，并对几何模型进行网格划分，根据计算条件设置几何模型的边界和载荷条件，设置用于求解的分析步，设置拓扑优化的第一设计变量和第一优化目标，建立优化模型。
Find：V＝{V1,V2,...,Vn}T
Min：M(V)＝M1+M2+...+Mn
Max：f(V)＝f({V1,V2,...,Vn}T)
s.t：DoF(Area)＝0
其中，V为卫星初始主体结构的体积；Vi为主体结构上的第i个结构，i指代其中的1-n；n为卫星主体结构的结构个数；M为主体结构的质量；Mn为主体结构上第i个结构的质量；f为主体结构的基频；DoF(Area)为需要约束的区域的自由度。
将第一结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及第一设计变量和第一优化目标输入计算软件(例如ABAQUS、ANSYS、MSC等)，得到优化后的目标卫星结构；其中，所述计算软件用于优化卫星主体结构的结构形式，以使所述目标卫星结构符合其给定的约束条件。通过上述优化模型，可以得到在给定约束条件下，最优的卫星主体结构，其质量最小，基频最大。
如所述步骤S130所述，依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S130所述“依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布”的具体过程。
如下列步骤所述，依据所述实际点阵结构构型替代所述目标卫星结构的夹层，得到第二结合模型；
如下列步骤所述，对所述第二结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明“对所述第二结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布”的具体过程。
如下列步骤所述，建立所述第二结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；确定第二设计变量和第二优化目标；其中，所述第二设计变量为所述第二结合模型点阵结构的杆径和杆长，所述第二优化目标为所述第二结合模型的质量基本保持不变且强度最大；依据所述第二结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第二设计变量和所述第二优化目标对所述第二结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
在此步中，确定夹层的最优的点阵结构分布：通过上述优化过程得到的最优的卫星主体结构，用实际点阵结构构型替代其夹层部分，以结合后的点阵结构的杆径D和杆长L为第二设计变量，以质量基本保持不变、强度最大为第二优化目标，建立优化模型进行计算分析。
具体地，参照图15，为点阵结构分布示意图，步骤S130为确定卫星结构最优的点阵结构分布：通过上述优化过程得到了最优的卫星主体结构，在整个过程中，点阵结构作为等效实体只负责传递等效的力学性能参数，为了让主体结构根据实际外部载荷工况得到最优的点阵结构分布，将上述优化后主体结构中的夹层部分用实际的点阵结构构型进行替代，得到实体结构和点阵结构相结合的第二结合模型。在此结构中，建立点阵结构和实体结构的材料模型，对点阵结构选取梁单元进行计算，对实体结构选取实体单元进行计算，输出核实的杆径和杆长，使整体结构满足强度和质量要求；对整个第二结合模型的几何模型进行网格划分，根据实际工况条件设置几何模型的边界和载荷条件，设置用于求解的分析步，以点阵结构的杆径D和杆长L为第二设计变量，以质量基本保持不变、强度最大为第二优化目标，建立优化模型进行计算分析。
Find：D＝{D1,D2,...,Dn}T
L＝{L1,L2,...,Ln}T
Fix：M(V)＝M0(V)
Min：σ(V)＝max({σ1max,σ2max,...,σnmax}T)
s.t:F：{Fx,Fy,Fz}T
其中，D为点阵结构的杆径；L为点阵结构的杆长；M为卫星主体结构的质量；M0为主体结构的初始质量；σ为卫星主体结构的应力值；σimax为主体结构上第i个结构的最大应力值；F为主体结构的外部载荷；x、y、z分别表示空间三维方向坐标，Fx表示沿x方向的力，Fy表示沿y方向的力，Fz表示沿z方向的力。
将第二结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及第二设计变量和第二优化目标输入计算软件(例如ABAQUS、ANSYS、MSC等)，得到最优的目标点阵结构分布；其中，所述计算软件用于确定最优的点阵结构分布，以使最优的点阵结构分布符合其给定的约束条件。通过上述优化模型，可以得到在给定约束条件下最优的点阵结构分布，根据实际载荷情况得到满足强度要求的梯度点阵材料模型，其中点阵材料杆径和杆长的设置需要综合考虑工艺加工的难易程度选择合适的上下限。
如所述步骤S140所述，依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
将确定出的最优的卫星主体结构与最优的点阵结构分布结合，得到具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
参照图2，在本申请一实施例中，所述方法还包括：
S150、对具有梯度点阵材料的所述目标卫星结构中的梯度点阵结构和卫星主体结构进行基频试算，得到具有梯度点阵材料的卫星结构的基频；
S160、若所述基频符合预设要求，则完成对目标卫星结构的设计；
S170、若所述基频小于所述预设要求，则继续优化所述目标卫星结构和所述目标点阵结构分布。
参照图16，为对卫星结构的频率验证和校核的示意图，生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构之后，进行频率验证和校核。通过对上述优化过程得到的在卫星中分布的梯度点阵结构和卫星主体结构进行基频试算，可以得到具有梯度点阵材料的卫星结构的基频，如果基频符合要求，则实现了整个设计过程，如果基频偏小，则可重新回到步骤S120，提高质量优化目标的第一优化条件，得到不同的带等效点阵材料参数的主体结构后再进行点阵结构的优化，最终得到满足质量、频率和强度要求的梯度点阵材料的卫星结构。
参照图3，在本申请一实施例中，所述方法还包括：
S180、通过增材制造技术打印出具有梯度点阵材料的所述目标卫星整体结构；
S190、对所述目标卫星整体结构进行性能测试，确定第三设计变量和第三优化目标；
S200、依据所述第三设计变量和所述第三优化目标生成最符合要求的具有梯度点阵材料的卫星整体结构。
需要说明的是，增材制造又称3D打印，是以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料或医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。具体的，本申请中涉及的增材制造方式可以化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、溅射、蒸发、电镀和化学镀中的一种或几种。
利用增材制造技术将具有梯度点阵材料的卫星结构打印出来，可得到实际的卫星结构，对加工出来的模型进行性能分析，根据分析结果再次调整优化的设计变量和优化目标，根据迭代优化的结果，得到最符合要求的具有梯度点阵材料的卫星结构。具体地，通过对结构进行振动和强度的性能试验，可以得到质量、频率和强度的试验参数，通过对比优化结果和试验参数，可以判断制造技术和实际理论模型的差异，通过这种对比，找到理论模型优化目标的界限，有利于优化结果的准确性。
在一具体实现中，采用满足频率质量等性能要求的常用点阵结构作为初始设计原点，提取其等效性能参数赋予卫星主体部分结构，设置结构的设计变量和优化目标，对整体结构利用拓扑优化的方法进行优化，得到最优的卫星结构，然后利用给定的卫星结构，将实际的点阵材料模型予以带入，得到符合含点阵材料和实体结构的卫星模型，通过结合工艺加工参数，设置针对点阵结构的设计变量和优化目标，得到最优的卫星结构内的点阵结构分布，从而得到具有梯度点阵材料的卫星结构，最后在此基础上对卫星结构进行频率等性能的校核，如果不满足性能要求，则调整设计变量和优化目标的取值范围进行迭代优化。最后，利用增材制造技术对模型进行加工，对加工出来的模型进行性能分析，根据分析结果再次调整优化的设计变量和优化目标，根据迭代优化的结果，得到最符合要求的具有梯度点阵材料的卫星结构。
本发明的卫星结构中包括夹层结构，经过优化后的夹层结构能有效地降低整体结构重量，提高卫星发射经济性；采用点阵结构的选型，避免了后期迭代优化过程始终无法满足目标设计需求的问题；点阵结构等效性能参数的应用，使得在拓扑优化过程中避免了点阵结构的运算造成计算的严重耗时；根据载荷情况优化得到的梯度点阵结构能在充分保证结构强度的基础上，避免了整星质量、频率等性能的下降；优化工厂也充分考虑了实际加工制造的问题，通过和实际模型的结合可以不断地调整设计参数和优化目标，使得优化结果更符合实际情况，方便工艺和计算的相互验证和下一次更进一步的迭代优化。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
参照图4，示出了本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计装置；
具体包括：
数据获取模块410，用于获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；
第一优化模块420，用于依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；
第二优化模块430，用于依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；
模型生成模块440，用于依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
在本发明一实施例中，所述第一优化模块420，包括：
第一模型结合子模块，用于将所述目标点阵材料的等效参数与所述卫星初始主体结构结合，得到第一结合模型；
第一拓扑优化子模块，用于对所述第一结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构。
在本发明一实施例中，所述第一拓扑优化子模块，包括：
第一计算单元，用于建立所述第一结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；
第一优化目标确定单元，用于确定第一设计变量和第一优化目标；其中，所述第一设计变量为所述第一结合模型点阵结构剩余体积百分比，所述第一优化目标为所述第一结合模型主体结构的总质量和频率；
第一模型优化单元，用于依据所述第一结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第一设计变量和所述第一优化目标对所述第一结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构。
在本发明一实施例中，所述第二优化模块430，包括：
第二模型结合子模块，用于依据所述实际点阵结构构型替代所述目标卫星结构的夹层，得到第二结合模型；
第二拓扑优化子模块，用于对所述第二结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
在本发明一实施例中，所述第二拓扑优化子模块，包括：
第二计算单元，用于建立所述第二结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；
第二优化目标确定单元，用于确定第二设计变量和第二优化目标；其中，所述第二设计变量为所述第二结合模型点阵结构的杆径和杆长，所述第二优化目标为所述第二结合模型的质量基本保持不变且强度最大；
第二模型优化单元，用于依据所述第二结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第二设计变量和所述第二优化目标对所述第二结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
在本发明一实施例中，所述数据获取模块410，包括：
第三计算子模块，用于依据所述样本点阵结构集建立点阵结构对应的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；
等效参数生成子模块，用于依据所述几何模型的边界、载荷条件和分析步生成等效参数；
第四计算子模块，用于将所述几何模型的等效参数带入所述卫星初始主体结构的夹层中，构建卫星主体结构的材料模型，并确定出所述材料模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；
基频生成子模块，用于依据所述材料模型的边界、载荷条件和分析步生成卫星基频；
点阵材料确定子模块，用于通过卫星加工难度和对比所述样本点阵结构集的卫星基频，从所述样本点阵结构集中确定出目标点阵材料，并计算所述目标点阵材料的等效参数。
参照图5，在本发明一实施例中，所述装置还包括：
基频计算模块，用于对具有梯度点阵材料的所述目标卫星结构中的梯度点阵结构和卫星主体结构进行基频试算，得到具有梯度点阵材料的卫星结构的基频；
第一判断模块，用于若所述基频符合预设要求，则完成对目标卫星结构的设计；
第二判断模块，用于若所述基频小于所述预设要求，则继续优化所述目标卫星结构和所述目标点阵结构分布。
参照图6，在本发明一实施例中，所述装置还包括：
卫星打印模块，用于通过增材制造技术打印出具有梯度点阵材料的所述目标卫星整体结构；
第三优化目标确定模块，用于对所述目标卫星整体结构进行性能测试，确定第三设计变量和第三优化目标；
卫星优化模块，用于依据所述第三设计变量和所述第三优化目标生成最符合要求的具有梯度点阵材料的卫星整体结构。
参照图7，示出了本发明的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法的计算机设备，具体可以包括如下：
上述计算机设备12以通用计算设备的形式表现，计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线18结构中的一种或多种，包括存储器总线18或者存储器控制器，外围总线18，图形加速端口，处理器或者使用多种总线18结构中的任意总线18结构的局域总线18。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线18，微通道体系结构(MAC)总线18，增强型ISA总线18、音视频电子标准协会(VESA)局域总线18以及外围组件互连(PCI)总线18。
计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其他移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机体统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图7中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其他光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质界面与总线18相连。存储器可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块42，这些程序模块42被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其他程序模块42以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24、摄像头等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其他计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)界面22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN))，广域网(WAN)和/或公共网络(例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其他模块通信。应当明白，尽管图7中未示出，可以结合计算机设备12使用其他硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元16、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统34等。
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法。
也即，上述处理单元16执行上述程序时实现：获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
在本发明实施例中，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请所有实施例提供的种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法：
也即，给程序被处理器执行时实现：获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机克顿信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言——诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言——诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行或者完全在远程计算机或者服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
参照图8-图11，示出了本申请一实施例提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构，通过上述一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法设计得到，包括：主体结构50和与所述主体结构50连接的支架60，所述主体结构50由若干夹板组件510组成，所述夹板组件510包括夹层511和相对设置在所述夹层511两侧的夹板512。
具体地，卫星结构包括主体结构50和支架60；所述主体结构50包括板体结构51和与板体结构51连接的单机设备52，所述支架60与所述板体结构51连接，所述板体结构51由若干夹板组件510围合而成，所述夹板组件510包括夹层511和相对设置在所述夹层511两侧的夹板512，所述夹层511经优化后形成点阵构型。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法及卫星结构，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计方法，其特征在于，所述卫星结构包括主体结构，所述主体结构由若干夹板组件组成，所述夹板组件包括夹层和相对设置在所述夹层两侧的夹板；所述方法包括：
获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；
依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；
依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；
依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构的步骤，包括：
将所述目标点阵材料的等效参数与所述卫星初始主体结构结合，得到第一结合模型；
对所述第一结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述第一结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构的步骤，包括：
建立所述第一结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；
确定第一设计变量和第一优化目标；其中，所述第一设计变量为所述第一结合模型点阵结构剩余体积百分比，所述第一优化目标为所述第一结合模型主体结构的总质量和频率；
依据所述第一结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第一设计变量和所述第一优化目标对所述第一结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布的步骤，包括：
依据所述实际点阵结构构型替代所述目标卫星结构的夹层，得到第二结合模型；
对所述第二结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述第二结合模型进行拓扑优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布的步骤，包括：
建立所述第二结合模型点阵结构的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件和用于求解的分析步；
确定第二设计变量和第二优化目标；其中，所述第二设计变量为所述第二结合模型点阵结构的杆径和杆长，所述第二优化目标为所述第二结合模型的质量基本保持不变且强度最大；
依据所述第二结合模型点阵结构的边界、载荷条件和分析步、以及所述第二设计变量和所述第二优化目标对所述第二结合模型进行优化，得到所述目标卫星结构内的目标点阵结构分布。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数的步骤，包括：
依据所述样本点阵结构集建立点阵结构对应的几何模型，并确定出所述几何模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；
依据所述几何模型的边界、载荷条件和分析步生成等效参数；
将所述几何模型的等效参数带入所述卫星初始主体结构的夹层中，构建卫星主体结构的材料模型，并确定出所述材料模型的边界、载荷条件以及用于求解的分析步；
依据所述材料模型的边界、载荷条件和分析步生成卫星基频；
通过卫星加工难度和对比所述样本点阵结构集的卫星基频，从所述样本点阵结构集中确定出目标点阵材料，并计算所述目标点阵材料的等效参数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对具有梯度点阵材料的所述目标卫星结构中的梯度点阵结构和卫星主体结构进行基频试算，得到具有梯度点阵材料的卫星结构的基频；
若所述基频符合预设要求，则完成对目标卫星结构的设计；
若所述基频小于所述预设要求，则继续优化所述目标卫星结构和所述目标点阵结构分布。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过增材制造技术打印出具有梯度点阵材料的所述目标卫星整体结构；
对所述目标卫星整体结构进行性能测试，确定第三设计变量和第三优化目标；
依据所述第三设计变量和所述第三优化目标生成最符合要求的具有梯度点阵材料的卫星整体结构。
9.一种具有梯度点阵材料的卫星结构设计装置，其特征在于，所述卫星结构包括主体结构，所述主体结构由若干夹板组件组成，所述夹板组件包括夹层和相对设置在所述夹层两侧的夹板；所述装置包括：
数据获取模块，用于获取样本点阵结构集、卫星初始主体结构和实际点阵结构构型，并依据所述样本点阵结构集和所述卫星初始主体结构确定目标点阵材料的等效参数；
第一优化模块，用于依据所述目标点阵材料的等效参数和所述卫星初始主体结构生成目标卫星结构；
第二优化模块，用于依据所述实际点阵结构构型和所述目标卫星结构生成目标点阵结构分布；
模型生成模块，用于依据所述目标点阵结构分布和所述目标卫星结构生成具有梯度点阵材料的目标卫星整体结构。
10.一种具有梯度点阵材料的卫星结构，其特征在于，所述卫星结构由权利要求1-8任一项所述的方法设计得到，包括：主体结构和与所述主体结构连接的支架，所述主体结构由若干夹板组件组成，所述夹板组件包括夹层和相对设置在所述夹层两侧的夹板。
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| CN117422610B (zh) * | 2023-12-19 | 2024-03-22 | 上海卫星互联网研究院有限公司 | 一种三维模型轻量化方法、装置及电子设备 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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