基于HyperWorks的航天器整流罩结构分析与优化

基于HyperWorks的航天器整流罩结构分析与优化

程昌范开春郭辉荣胡善刚

湖北航天技术研究院总体设计所武汉430040

摘要：建立了某航天器整流罩有限元计算模型，分析了壳体结构强度和稳定性；采用OptiStruct优化技术对整流罩壳体进行尺寸优化，给出了最优结构尺寸，缩短了结构设计的时间，优化后的整流罩结构满足整体强度、刚度和稳定性要求。关键词：整流罩，稳定性，尺寸优化，OptiStruct

0 引言

航天器整流罩作为飞行器的重要部件，在飞行过程中承受轴力，弯矩和外压等外载荷，在外载荷作用下，整流罩应有足够的强度和刚度保证不破坏，不失稳，同时整流罩作为有效载荷的保护罩，飞出大气层后，保护作用完成，此时已成为多余的质量，为了提高效率，增大运载能力，整流罩会被适时抛掉，因此其结构质量应当尽可能轻。某航天器整流罩壳体初始设计方案外压稳定性不满足设计要求，需要改进设计。为了满足强度、刚度和重量的要求，提高结构承载能力，缩短结构设计选型周期，对整流罩结构进行分析与优化设计是非常必要的。

本文采用OptiStruct求解器对整流罩初始设计方案进行分析，选择整流罩壳体厚度来进行尺寸优化，使其在满足整体强度、刚度和稳定性的情况下重量最轻，并对优化方案结果进行对比分析，确定出供后续详细设计的参考方案。

1 优化问题的数学表达

优化设计可归结为求解一组设计变量，且满足约束条件，而其目标函数最小，优化问题可以归纳为以下数学模型：

设计变量：X=[x1, x2,…,x n]T

在满足约束条件：

g j(X)=g j(x1, x2,…, x n)≤0 (j=1,2,…,m)

h k(X)=h k(x1, x2,…, x n)=0 (k=1,2,…,l

目标函数最小：f(X)=f(x1, x2,…, x n)

式中：x1, x2,…, x n－设计变量

g j(X)、h k(X)－约束函数

f(X)－目标函数

OptiStruct求解器具有强大的优化功能，其尺寸优化可以对有限元模型的各种参数进行优化，从而实现减重的目的。而且尺寸优化支持离散优化，即优化出来的尺寸为离散数值，可以直接满足设计中的选材要求。

2 整流罩初始设计方案分析

2.1有限元模型

某航天器整流罩壳体主体结构由前锥和后锥组成，有限元建模时壳体采用四边形壳单元，有限元模型见图1。整流罩壳体采用复合材料加工，前锥和后锥厚度可不同，在环境温度下的材料力学性能参数见表1；整流罩在飞行过程中受到气动力和惯性力共同作用，经过对载荷进行分析后，归纳出整流罩后端面弯矩最大和壳体外压最大两种计算工况，计算工况载荷具体见表2。施加截面剪力和轴力时通过RBE3单元实现，加载方式见图2。

图1 整流罩有限元模型图2 载荷施加方式

表1 复合材料层合板材料参数表

表2 计算工况表

2.2计算结果

整流罩壳体初始设计方案在弯矩最大工况最大位移3.4mm，位移云图见图3；

最大应力发生靠近端框附近，应力大小54MPa，应力云图见图4；在外压最大工况下屈曲变形云图见图5，一阶屈曲因子0.66，壳体结构容易发生屈曲，稳定性不满足设计要求，需要进行改进设计。

图3 初始设计方案弯矩最大工况位移云图图4 初始设计方案弯矩最大工况应力云图

图5 初始设计方案外压最大工况屈曲云图

3 整流罩结构优化设计

整流罩初始设计方案的一阶屈曲因子0.66离设计要求的1.5差距较远，如果采用传统的设计方法，修改一次整流罩前锥后锥的厚度尺寸重新计算一次，厚度尺寸大小的选择没有方向性，势必会延长设计周期，增大计算工作量，同时也不能保证结构质量的要求。

为了能够一次设计就能够满足设计要求，可以通过优化设计的方式得到结构主要尺寸。通过分析整流罩的结构特点，确定选用整流罩壳体前锥厚度和后锥厚度2个结构参数作为优化的设计变量，在保证壳体与其它部件之间不发生干涉的条件下确定结构参数的最大最小变化范围，同时为了加快优化迭代的速度，结合复合材料铺层的工艺实现对每个设计变量设置离散迭代增量，各设计变量初始设计大小，离散迭代增量大小和取值范围见表3所示。

表3 设计变量初值及取值范围表

本文以整流罩质量最小为目标，同时满足弯矩最大工况壳体应力不大于55MPa 和外压最大工况一阶屈曲因子大于1.5两个约束条件，采用OptiStruct来对整流罩进行多工况的尺寸优化设计。

整流罩质量随迭代次数的变化历程见图6，经过7步迭代后计算收敛，整流罩质量由初始设计方案的6.8kg增加到8.2kg，增加20%。设计变量优化前后的数值见表4，经过优化后，整流罩壳体在弯矩最大工况最大位移3.1mm，位移云图见图7；最大应力52MPa，应力云图见图8；在外压最大工况一阶屈曲因子由0.66提升至1.53，升高132.8%，屈曲变形云图见图9，结构强度、刚度和稳定性满足设计要求。

图6 整流罩质量优化迭代历程

表4 设计变量优化结果对比表

图7 优化方案弯矩最大工况位移云图图8 优化方案弯矩最大工况应力云

图9 优化方案外压最大工况屈曲云图

4 结论

本文通过对某航天器整流罩初始设计方案弯矩最大和外压最大两个工况进行分析，发现整流罩壳体一阶屈曲因子较低，结构容易发生屈曲，稳定性不满足设计要求。为了保证后续设计一次成功，同时使结构质量最轻，采用OptiStruct优化技术对整流罩前锥厚度和后锥厚度进行尺寸优化设计，优化后的结果满足整体强度、刚度和稳定性要求，验证了HyperWorks强大的分析和优化技术在航天器整流罩结构设计中的适用性和有效性。

5 参考文献

[1] 陈烈民.航天器结构与机构[M].北京：中国科学技术出版社，2005

[2] 毛佳.卫星中心承力筒结构优化设计研究[J].国防科技大学学报，2010，32(2)：1-6.

[3] 张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2008