航天器结构优化

3类结构优化问题
1）截面尺寸优化
10 杆桁架
5 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
模版设计：韩 潮 2000,07
3类结构优化问题
2）外形优化
15 杆桁架外形变化
6 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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3类结构优化问题
3）拓扑优化
航天器结构优化技术专题
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2013年7月10日
北京航空航天大学 飞行器设计学科
模版设计：韩 潮 2000,07
第二章 第五节 航天器结构设计方法
1。传统结构设计：
初始设计 —> 结构分析 —> 设计调整 —> 再分析—>再调整—>
。。。——》 直到满意
2。结构优化设计：
以计算机为工具，将非线性数学规划理论与结构力学 分析方法相结合，用于受各种条件限制的承载结构设计。
23 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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2013年7月10日
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卫星结构优化计算
（1）结构布局保持不变，频率下限为16Hz时的优化计算
质量(kg) 2405
2400
M=2400.0 f1=16.1988 f2=17.1683
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卫星结构优化计算
（1）去掉构架中的细杆并加两根直径为40的斜杆；
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卫星结构优化计算
(2) 去掉π形梁； (3) K形梁和服务舱的中间 环的材料改为T700；
(4) 加筋承力筒改为蜂窝夹 层承力筒；
——目标函数
min f ( x ) 3. 大型结构优化设计概念与特点
数学规划是专门研究这类问题的数学性质、最有解 及其求解算法的数学分支。
3 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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j min xm ——约束 1, f ( , ) 0 j 1,, m s.t. g j (x ) ——约束函数 T x {x1 ,, xn }
(5) 热管3、4改为热管2。
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（2）结构布局作适当改变，频率下 限仍为16Hz时的优化计算
质量(kg) 2340
2335
M=2335.4 f1=15.5676 f2=16.3965
2330
2325
2320
2315
2395
2390
2385
M=2382.1 f1=15.9833 f2=17.1486 M=2382.0 f1=15.9379 f2=17.2067
2380
2375
2370 1 2 迭代次数 3 4
图102 结构布局不变,频率下限为16Hz时的优化迭代过程
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所开发飞行器结构优化软件主要功能
优化目标：
重量最小
约束条件:
应力（强度）, 变形（刚度），自振频率，设计变量上下限；
设计变量:
截面尺寸：板壳厚度（包括蜂窝夹层板），加强件截面尺寸等 拓扑优化 （ 新增研究性模块 ）
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2013年7月10日
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55
Weight (kg)
25
30
35
40
45
50
考虑压紧和展开2种结构工况 Case 3, Compacted & Deployed States
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Analysis Number
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谢谢各位!
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拓扑结构优化算例
1. 10杆桁架拓扑优化
原10杆桁架拓扑
拓扑变化后的10杆桁架
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ESSOS
前后置处理 --- Patran + PCL语言自开发 结构分析 — Nastran 灵敏度分析 --- Nastran + C++语言自开发 优化计算 --- 基于算法的Fortran语言自开发
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基于Patran/Nastran的结构优化系统ESSOS界面飞行器设计学科 2013年7月10日 北京航空航天大学
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(2) 复合过载下的结构变形计算结果
最大变形量为4.26mm，出现在对地板的顶端
29 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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典型方案分析结论
从以上典型方案分析计算的结果可以看出， 各种工况下，结构的应力（强度），变形与振动 频率（刚度）等全部满足要求，动力学响应及失 稳系数等与原设计相比变化处与可接受的范围内， 因此，所给出的典型方案为一个可行设计，而其 结构重量对比原设计，减少了约80千克。可见通 过结构优化，减重效果是相当显著的。
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Example 2 72-bar truss topology optimization
Primal topology of 72-bar truss
20 2013年7月10日
72-bar truss after topology optimization
北京航空航天大学 飞行器设计学科
375
362.43
Weight (kg)
325
350
316.56
300
275
273.62 250.97 238.7 232.21 228.93 229.5 6 7 8 9
225
250
1
2
3
4
5
Analysis Number
32 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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原10杆桁架拓扑
拓扑变化后的10杆桁架
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结构优化可表示为非线性数学规划问题：
n f ( x ) i li xi min i 1 j1 j1 j1 1,2,..., J 1 g j ( x ) u j 2 u j 2 j 2 1,2,..., J 2 0 s.t. 2 k k2 k 1,2,..., K L xi xi xiU 特点 1。隐函数特点
2。变量数目多 3。约束数目多
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2013年7月10日
北京航空航天大学 飞行器设计学科
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结构优化方法的发展
(1) 60年代，Schmit提出概念；
(2) 准则法（60~70年代中）；
(3) 近似的概念（76年），将数学规划算法引入； (4) 对偶法（80年代）； (5) 自适应算法（80～90年代）。
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2013年7月10日
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研究热点
（1）高效算法
（2）方法的适应性
（3）敏度分析
（4）工程应用
（6）形状与拓扑优化.
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பைடு நூலகம்
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北航结构优化技术的研究工作
理论成果
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卫星有限元建模
(2)
有 限 元 网 格 划 分
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2013年7月10日
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卫星结构优化计算
优化的目标:
结构重量最小
约束: 强度和 前几阶的自振频率； 其它相应要求（人机交互） 优化变量: 夹层板及筒壳的厚度； 顶部构架截面尺寸； 承力筒结构形式及构架拓扑连接等（人机交互）。
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2013年7月10日
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3. 飞行器结构优化应用实例
(1) 机翼结构优化
(机翼结构有限元模型见右图)
设计变量数目 1332
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2013年7月10日
北京航空航天大学 飞行器设计学科
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歼－8 机翼结构优化迭代过程
复杂结构优化理论与算法 ——2002年获中国高校自然科学一等奖
软件成果
ESSOS — Engineering System of Structural Optimization for Spacecraft Nastran_ESSOS
11 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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2 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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s.t. g j ( x ) 0 j 1,, m （1）优化 ——设计变量 Find x {x , , x }T 1 n
min f ( x ) s.t. g j ( x ) 0 T x {x1 ,, xn }
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Example 3 10-Node Truss topology optimization
Primal topology of 10-Node truss
10-Node truss after topology optimization
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2013年7月10日
北京航空航天大学 飞行器设计学科
（2）结构优化模型
优化目标：重量（飞行器结构设计） 约束条件：强度、变形限制、动力特性……等 设计变量： 1）截面面积、板壳厚度、梁剖面尺寸……等 2）结构外形尺寸
3）拓扑布局（不连续）
相对应用多的是1）的优化，尤其对于飞行器结构设计。
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2013年7月10日
北京航空航天大学 飞行器设计学科
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(2) 卫星太阳帆板结构优化
考虑发射时压紧和在轨工 作时展开 2 种结构工况
33 2013年7月10日 北京航空航天大学 飞行器设计学科
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卫星太阳帆板结构优化
65 60
Case 1, Compacted State 只考虑压紧结构工况 Cace 2, Deployed State 只考虑展开结构工况
2310
M=2318.3 f1=15.7236 f2=17.3966
M=2319.6 f1=15.9839 f2=17.6224
2305 1 2 3
迭带次数 图103 结构布局作适当改变，频率下限仍为16Hz时的优化迭代过程
4
5
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2013年7月10日
北京航空航天大学 飞行器设计学科
模版设计：韩 潮 2000,07
35
2013年7月10日
北京航空航天大学 飞行器设计学科
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