基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法与流程

本发明涉及航天器产品设计，尤其涉及一种基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法。

背景技术：

1、由于受到运载火箭发射能力的限制，空间产品对重量要求极为严苛，支架类结构是单机产品的主要部分，重量比例较大，对支架类结构进行轻量化设计，能够大幅减轻产品重量，减少航天器支架类结构重量可以增加航天器的有效载荷，从而保证飞行器任务的顺利完成。

2、针对航天器支架类产品的设计研究，申请公布号为cn204186872u的中国发明专利提出了一种航天器用镁锂合金飞轮支架轻量化设计方法，包括：安装部、主承力部、支撑腿部、底座部，安装部设置在主承力部上，主承力部通过支撑腿部连接在底座部上，但是该设计方法采用传统减重设计思路，仍以实体结构为主。申请公布号为cn114186339a的中国发明专利提出了一种飞行器支架轻量化设计及制造方法，通过拓扑优化技术生成了支架构型，采用激光选区熔化方法对优化后的支架进行增材制造加工，达到了减重以及快速制造的目的，但是该设计方法只对宏观构型进行了拓扑优化设计，内部仍是实体。申请公布号为cn109948255b的中国发明专利提出了用于储箱安装的增材制造金属蒙皮点阵结构及其设计方法，该结构包括蒙皮和空间点阵结构，空间点阵结构填充在蒙皮内部，使得整个承载结构质量降低、整体刚度提高。但是该方法采用单一类型的沿立方体对角线分布连接的立方杆件单元，且每个立方单元组成的杆的设计参数也相同。

3、综上可知，现有的方法在实际使用上，存在着较多的问题，所以有必要加以改进。

技术实现思路

1、针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，能够实现集轻量化、刚度优、承载高等功能于一体的航天器支架产品的快速研制。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，包括步骤：

3、获取结构件的三维模型，并基于所述三维模型构建拓扑优化设计域；其中，所述结构件至少包括设计包络、功能空间和接口；

4、基于拓扑优化模型对所述设计域进行拓扑优化，并对拓扑优化结果进行光顺化处理，得到第一优化实体模型；

5、将所述第一优化实体模型与所述结构件接口区域对应的接口模型进行布尔并运算，得到第二优化实体模型；

6、对所述第二优化实体模型执行抽壳操作，得到蒙皮模型；

7、从预先构建的点阵单元库中选取填充单元对所述蒙皮模型进行填充，以获得均一尺寸的蒙皮点阵结构模型；

8、对所述蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，获得结构的最大应力符合预设要求的优化蒙皮点阵结构。

9、可选的，所述对所述蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，获得结构的最大应力符合预设要求的优化蒙皮点阵结构的步骤之后，还包括：

10、对所述优化蒙皮点阵结构进行仿真分析，并判断对应的仿真结果是否符合所述结构件的设计要求；

11、若符合，则对所述优化蒙皮点阵结构进行增材制造并进行试验验证。

12、可选的，所述对所述优化蒙皮点阵结构进行仿真分析的步骤包括：

13、对所述优化蒙皮点阵结构进行模态分析、单机正弦振动分析以及三方向同时加载的加速度静载强度分析校核。

14、可选的，所述基于拓扑优化模型对所述设计域进行拓扑优化，并对拓扑优化结果进行光顺化处理，得到第一优化实体模型的步骤具体包括：

15、对所述设计域执行基于实体各向同性材料微结构材料惩罚模型的拓扑优化算法，获得构型的最佳材料分布的拓扑优化结果；

16、通过光顺化算法对所述拓扑优化结果进行处理，得到第一优化实体模型。

17、进一步的，所述对所述设计域执行基于实体各向同性材料微结构材料惩罚模型的拓扑优化算法，获得构型的最佳材料分布的拓扑优化结果的步骤具体包括：

18、将所述设计域划分为若干实体网格单元，以每个所述实体网格单元的相对密度为设计变量，根据预设的设计变量范围、约束条件和优化目标对所述设计域执行基于实体各向同性材料微结构材料惩罚模型的拓扑优化算法，获得构型的最佳材料分布的拓扑优化结果。

19、进一步的，所述光顺化算法的采样点大小为所述实体网格单元大小的一半。

20、可选的，所述接口包括舱板接口和设备接口，所述接口模型为所述舱板接口和所述设备接口对应的仿真模型。

21、可选的，所述从预先构建的点阵单元库中选取填充单元对所述蒙皮模型进行填充，以获得均一尺寸的蒙皮点阵结构模型的步骤包括：

22、根据所述结构件的属性从预先构建的点阵单元库中选取若干填充单元；

23、基于点阵单元随形填充算法，将若干所述填充单元填入所述蒙皮模型中，以获得均一尺寸的蒙皮点阵结构模型。

24、可选的，所述对所述蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，获得结构的最大应力符合预设要求的优化蒙皮点阵结构的步骤包括：

25、通过对所述蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，求解得到对应的应力分布场；

26、基于所述应力分布场，对所述蒙皮点阵结构模型的几何设计参数进行优化，以获得结构的最大应力符合预设要求的优化蒙皮点阵结构。

27、进一步的，所述几何设计参数至少包括优化蒙皮壁厚和点阵单元壁厚。

28、本发明所述基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，通过获取结构件的三维模型，并基于所述三维模型构建拓扑优化设计域；其中，所述结构件至少包括设计包络、功能空间和接口；基于拓扑优化模型对所述设计域进行拓扑优化，并对拓扑优化结果进行光顺化处理，得到第一优化实体模型；将第一优化实体模型与所述结构件接口区域对应的接口模型进行布尔并运算，得到第二优化实体模型；对第二优化实体模型执行抽壳操作，得到蒙皮模型；从预先构建的点阵单元库中选取填充单元对所述蒙皮模型进行填充，以获得均一尺寸的蒙皮点阵结构模型；对蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，获得结构的最大应力符合预设要求的优化蒙皮点阵结构。如此，本发明可适用于各类航天器支架产品，具有更优异性能的内部填充点阵结构，可实现设计控件的材料高效利用，最大限度激活增材制造所带来的设计自由度。

技术特征：

1.一种基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述对所述蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，获得结构的最大应力符合预设要求的优化蒙皮点阵结构的步骤之后，还包括：

3.根据权利要求2所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，对所述优化蒙皮点阵结构进行仿真分析的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述基于拓扑优化模型对所述设计域进行拓扑优化，并对拓扑优化结果进行光顺化处理，得到第一优化实体模型的步骤具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述对所述设计域执行基于实体各向同性材料微结构材料惩罚模型的拓扑优化算法，获得构型的最佳材料分布的拓扑优化结果的步骤具体包括：

6.根据权利要求5所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述光顺化算法的采样点大小为所述实体网格单元大小的一半。

7.根据权利要求1所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述接口包括舱板接口和设备接口，所述接口模型为所述舱板接口和所述设备接口对应的仿真模型。

8.根据权利要求1所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述从预先构建的点阵单元库中选取填充单元对所述蒙皮模型进行填充，以获得均一尺寸的蒙皮点阵结构模型的步骤包括：

9.根据权利要求1所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述对所述蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，获得结构的最大应力符合预设要求的优化蒙皮点阵结构的步骤包括：

10.根据权利要求9所述的基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，其特征在于，所述几何设计参数至少包括优化蒙皮壁厚和点阵单元壁厚。

技术总结
本发明提供了一种基于蒙皮点阵结构的航天器支架轻量化设计方法，通过获取结构件的三维模型，并基于三维模型构建拓扑优化设计域；其中，结构件至少包括设计包络、功能空间和接口；基于拓扑优化模型对设计域进行拓扑优化，并进行光顺化处理，得到第一优化实体模型；将第一优化实体模型与接口模型进行布尔并运算，得到第二优化实体模型；对第二优化实体模型执行抽壳操作，得到蒙皮模型；从预先构建的点阵单元库中选取填充单元对蒙皮模型进行填充，以获得蒙皮点阵结构模型；对蒙皮点阵结构模型进行有限元分析，获得优化蒙皮点阵结构。借此，本发明可实现集轻量化、刚度优、承载高等功能于一体的航天器支架产品的快速研制。

技术研发人员：刘远,刘广通,孟凡伟,田冬博,孟少华,陈畅宇,李晓欢,祝亚宏,王冬梅,牛迟,孙业辉,李战辉
受保护的技术使用者：北京卫星环境工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17