一种基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法与流程

本发明属于增材制造零件设计领域，，特别是一种基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法。

背景技术：

1、航天器结构中存在多种支架，对于小型设备支架，多使用铝合金，采用板焊机加方案；对于大型仪器设备支架，根据不同情况可采用整体铸造或板焊机加方案；对于结构刚度要求高的支架，多采用高模复合材料。由于支架连接结构多采用空间连杆结构形式，材料去除率高，且加工可达性差，锻造拼焊方案虽然可实现减重，但也带来了变形较大和焊缝检测困难等问题，铸造方案可以一体成型，但连杆结构的壁厚呆重较大，无法满足减重指标。单个支架的重量占比较小，但由于数量种类较多，全系列文架的舱段总重量可达30％。增材制造是一种逐层加工的制造工艺，可实现空间复杂结构的制造，适合小尺寸的构件制造，可成形材料体系包括铝合金、钛合金、高温合金等。

2、目前，拓扑优化技术广泛地应用于航空航天领域中，其是一种根据指定载荷工况，性能指标和约束条件合理分配材料、确定最优传力路径的结构优化设计方法。相比尺寸优化和形状优化，拓扑优化不依赖于初始构型的选择，具有更高的设计空间，是寻求高性能、轻量化、多功能创新结构的有效设计方法，结合增材制造，可以快速精确制备复杂构型以及多尺度/多层级结构。拓扑优化的一项难点为，优化时不但需要考虑到功能性，也需要兼顾工艺性、经济性、周期性等。然而，现有的技术在几何重构的过程中几乎不考虑选区激光熔化增材制造的工艺约束，最终优化的模型在打印时需添加额外的支撑，甚至由于存在打印风险区域导致打印失败，这在复杂工况的支架优化中尤其明显。因此，迫切需要考虑增材工艺性的新的设计与制造方案，实现支架连接类产品的技术升级。

技术实现思路

1、本发明针对使用选区激光熔化增材制造的支架减重拓扑设计，提出一种基于选区激光熔化增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法。。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，包括：

4、步骤1、采用等效法得出支架各工况受力情况及约束情况；

5、步骤2，建立支架初始模型，导入有限元软件进行受力分析，得出最大应力和位移；

6、步骤3，将支架模型导入拓扑优化软件，进行拓扑优化得出初始结果；

7、步骤4，考虑增材制造的工艺约束，对拓扑优化后的结果进行平顺化处理，并进行有限元分析验证最终结果的可靠性。

8、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

9、本发明的优化设计方法，通过在几何重构平顺化的过程中结合增材制造工艺约束和零件的工况约束，在利用拓扑优化技术减重的同时保证了支架零件的可制造性，提高了产品的合格率和交付质量。

技术特征：

1.一种基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，其特征在于，步骤4具体包括：

3.根据权利要求2所述的基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，其特征在于，步骤4-2对零件进行修改具体包括：

4.根据权利要求1所述的基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，其特征在于，步骤1具体包括：

5.根据权利要求1所述的基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，其特征在于，步骤2具体包括：

6.根据权利要求1所述的基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，其特征在于，步骤3具体包括：

技术总结
本发明提出了一种基于增材制造工艺约束的航天器支架拓扑设计方法，包括：步骤1、采用等效法得出支架各工况受力情况及约束情况；步骤2，建立支架初始模型，导入有限元软件进行受力分析，得出最大应力和位移；步骤3，将支架模型导入拓扑优化软件，进行拓扑优化得出初始结果；步骤4，考虑增材制造的工艺约束，对拓扑优化后的结果进行平顺化处理，并进行有限元分析验证最终结果的可靠性。本发明通过在几何重构平顺化的过程中结合增材制造工艺约束和零件的工况约束，提高了产品的合格率和交付质量。

技术研发人员：张海日,丁陵,张晨群,孙海赟,赵婧宇,周越
受保护的技术使用者：南京晨光集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21