人机交互的航天器结构优化设计

收稿日期:2002212230;修改稿收到日期:20032072141
作者简介:陈王申艳(19742),女,博士生1
黄　海3(19632),男,教授,博士生导师1
第21卷第4期
2004年8月　计算力学学报　
Ch i nese Journa l of Co m puta tiona l M echan ics
V o l .21,N o .4A ugu st 2004
文章编号:100724708(2004)0420510203
人机交互的航天器结构优化设计
陈王申艳　黄　海3　王利民
(北京航空航天大学宇航学院,北京100083)
摘　要:针对航天器结构设计过程的特点,采用人机交互方法对某型卫星结构进行优化,其中结构的截面尺寸以数学寻优方法确定,而拓扑布局以交互方式调整,应用结果表明这种优化方法高效、可行。

关键词:结构优化;混合变量;人机交互;航天器中图分类号:V 414.19 文献标识码:A
某型卫星结构主要由蜂窝夹层板、加筋承力筒、顶部刚架和各种附加的非结构质量构成,其初始设计的有限元模型如图1所示,为了便于看清内部结构,图上去掉了几块板。

优化目标为结构质量最小,所选的设计变量有蜂窝夹层板的夹芯高度和面板厚度、顶部刚架中各梁的截面尺寸,并包括承力筒的选型和顶部刚架的拓扑调整等,其中承力筒有蒙皮加筋式(初始构形)和蜂窝夹层式两种选择。

设计约束包括自然频率、静力和轨道环境下的应力与位移、临界稳定性系数、频率响应和设计变量上下限等。

图1某航天器原设计的有限元模型
F ig .1　FE model of the o riginal spacecraft
航天器的结构设计中必须进行各种响应分析,这些响应分析也是优化设计的基础。

为使数值优化和设计经验发挥各自优势,针对设计对象特点,我们将结构分析又分为基本结构分析和综合结构分析两类。

这里,结构在静载荷下的变形和应力分布、自然模态频率及其振型的求解称为基本结构分析。

在航天器的结构优化设计中,当只将截面尺寸作为设计变量时,这些响应的敏度是容易求得的。

这类响应的要求可作为截面优化问题的约束条件,可在求解过程中自动满足。

除了基本结构分析,航天器的结构设计还需进行更为复杂的结构分析,如动力响应、失稳等。

我们将航天器结构设计中需进行的所有结构分析(包括基本结构分析)称为综合结构分析。

一些复杂的结构响应要求仅作为校核条件,以交互方式满足。

基本结构分析和综合结构分析在航天器结构优化设计的不同阶段进行,基本结构分析的响应要求通过截面尺寸优化得以满足,用自行开发的工程结构优化程序ESSO S [1]进行计算;综合结构分析的重点在于校核复杂的结构响应,大型有限元软件M SC
PA TRAN NA STRAN [2]
在此用作综合结构分析的工具。

如上所述,本文将截面尺寸变量、拓扑变量以及航天器结构的各种约束在以下两个阶段进行处理。

第一个阶段是截面尺寸优化,设计变量为当前拓扑结构下蜂窝夹层板的夹芯高度和面板厚度、顶部刚架中各梁的截面尺寸等;目标函数取结构重量;约束只包含基本结构分析中的应力、位移和模态频率限制,采用二级多点优化算法及相应软件ESSO S 求解,其中收敛准则为满足所有约束条件下,相对重量变化<0.1%。

基于初始拓扑构形的截面尺寸优化迭代过程如图2所示,可见第一阶模态频率Ξ1≥16.0H z 是临界约束,结构质量由409kg 降至391kg 。

图2　原设计构形时的优化结果
F ig .2　Op ti m izati on results keep ing o riginal
structure
图3　拓扑调整后的优化结果
F ig .3　Op ti m izati on results after topo logy adjustm
ent
图4　顶部刚架的初始构形
F ig .4　T he o riginal configurati on of the
upper fram e
第二阶段为根据截面尺寸优化和综合结构分析的结果,以人机交互方式对结构拓扑进行调整。

首先对顶部刚架的拓扑构形进行调整,考虑到截面参数的优化结果中顶部刚架的细杆的截面尺寸已达下限,且不涉及有效载荷的安装和承载(如图4),因此将它们去掉;为了增强刚架的整体刚度,在
外部斜杆(较长的斜杆)与贴近板的水平杆构成的左右两个大矩形框内,各加一根对角斜杆,其方位与内部斜杆构成的小矩形框内对角斜杆的方位相反(如图5)。

经截面参数优化后可使结构重量进一步减少。

接着用蜂窝夹层式的承力筒(如图7)代替原来的蒙皮加筋结构(如图6),作为构件选型调整,经截面参数优化,结构重量再进一步减小。

卫星结构拓扑构形(包括顶部刚架和承力筒)调整后的截面尺寸优化迭代过程如图3所示。

对拓扑构形调
图5　改进后顶部刚架的构形
F ig .5　T he i m p roved configurati on of the upper fram
e
图6　初始设计中的加筋承力筒
F ig .6　T he o riginal reinfo rced cylindrical shell w ith
stiffeners
图7　蜂窝夹层承力筒
F ig .7　T he honeycom b cylindrical shell
整后且经截面尺寸优化的设计进行综合结构分析,结果表明这样的设计满足所有要求,它被作为最终设计,其结构质量为330.6kg 。

相比初始设计质量减少了约80kg ,超过了初始结构质量的20%。

在实际结构设计中,经过截面尺寸优化、拓扑调整和综合分析若干次交替迭代后,结构质量不再明显下降,此时通常认为得到了最终设计,这个收敛的判断在很大程度上取决于设计者。

实际上可能会得到几种构形同时满足设计要求,设计者可选其一作为最终方案。

从以上分析和实际结构优化结果可以得出如下结论:
(1)虽然工程结构拓扑优化很难用纯数值方
法计算求解,但含混合设计变量的结构问题可结合数值优化算法和人机交互方法得以解决。

1
15　第4期
陈王申艳,等:人机交互的航天器结构优化设计
(2)结构截面尺寸优化和拓扑优化可在优化过程的不同阶段交替进行,且分别基于基本结构分析和综合结构分析,由此阐明了以人机交互手段处理复杂工程结构设计问题的思路。

(3)人机交互结构优化方法用于某型卫星的结构设计的结果表明,结构系统质量显著减小,为设计部门改进卫星结构提供了依据,有很高的工程应用价值。

致谢:感谢上海卫星工程研究所黄爱生、周徐斌和姚俊同志为本文提供原始模型和相关数据。

参考文献(References):
[1]　黄　海,冉红军,夏人伟.工程结构优化程序系统
ESSO S[J].计算结构力学及其应用,1995,12(3):
3232331.(H uang H ai,R an Hongjun,X ia R enw ei.
Engineering p rogram system of structu ral op ti m iza2
ti on2ESSO S[J].Co m p u ta tiona l S tructu ra l M echa2
n ics and A pp lica tions,1995,12(3):3232331.(in
Ch inese))
[2]　M ichael R,M SC N astran.Q u ick R ef erence Gu id e
[M].T he M ac N eal2Schw endler Co rpo rati on,1994.
Structura l opti m iza tion of spacecraf t w ith man-mach i ne i n teraction
Chen Shenyan,　H uang H ai3,　W ang L i m in
(Schoo l of Space T echno logy,Beijing U n iversity of A eronau tics and A stronau tics,Beijing100083,Ch ina)
Abstract:Sp acecraft design is a com p licated m ixed2variab le p rob lem,and designer’s exp erience takes a very i m po rtan t ro le in so lving such a p rob lem.Con sidering the characteristics of sp acecraft design,a m an2m ach ine in teractive op ti m izati on m ethod w as u sed in structu ral design of a satellite,w here the cro ss2secti onal variab les w ere op ti m ized by num erical algo rithm,and the topo logy variab les w ere adju sted w ith m an2m ach ine in teractive w ays.Structu ral analyses fo r vari ou s k inds of respon se w ere co rrespondingly devided in to tw o p arts;basic structu ral analysis and com p rehen sive structu ral analysis, being carried ou t in cro ss2sectinal op tm izati on and topo logy adju stm en t resp ectively.A fter iterati on s the final satisfacto ry design that m et all the requ ired con strain ts w as to rm ed.T he app licati on resu lt show s that the m ethod w o rk s satisfacto rily and effectively.
Key words:structu ral op ti m izati on;m ixed2variab le;m an2m ach ine in teractive;sp acecraft 215计算力学学报　第21卷　。