solidThinkingInspire在卫星动量轮支架优化设计中的应用

    1 设计条件

    某卫星型号由于空间和质量要求严格，需要对动量轮支架进行综合优化分析，达到“功能优先”、质量可控的效果。动量轮支架设计条件如下：

    设备的安装接口为4个M8的螺孔，均布在Φ70 的节圆上，设备最大外形尺寸为345mm×345mm×118mm。设备重量为7.9kg，惯量为Ill=0.12kg·m2，Ibb=0.07kg·m2，Ihh=0.07kg·m2，方向见图1。质心位于设备中心距安装面57mm处。

    图1 惯量方向

    1) 刚度要求：以质量点（考虑惯量）模拟设备，在设备支架与星体连接点固支状态下，组合体纵向（Z向）和横向（X/Y向）一阶频率不小于230Hz。

    2) 强度要求：以质量点模拟设备，在设备支架与星体连接点固支、横向（X或Y向，需分别校核）30g、纵向（Z向）30g的横纵联合加载准静态载荷条件下，强度裕度应满足设计要求：

    3) 裕度=（屈服强度/von Mises应力）-1，裕度需>0。

    4) 支架材料为铝合金，弹性模量=70GPa，泊松比=0.31，密度 = 2700kg/m3，材料屈服极限为260MPa。

    5) 支架与星体之间的连接点数量不限。

    2 Inspire拓扑优化

    动量轮支架传统设计形式如图2所示，自身重量为1kg。

    图2 动量轮支架传统设计

    设计难点在于：头大脚小，头重脚轻，要求支架具备高刚主、高强、高结构承载比，因此需要进行轻量化设计。实现轻量化有三种途径：传力路径最直接、应力分布最均匀，结构承载比高。这三种途径均涉及优化设计问题。目前有尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化四种方式，前三种用的比较多，拓扑优化在以往公认的，是结构优化领域难度最大，也是最具挑战性的课题之一，但拓扑优化可以提供概念性设计方案，其所取得的显著经济效益也是其它方法所无法比拟的。拓扑优化可以解决传力路径的优化问题，可以在设计空间中实现材料的最均匀分布， INSPIRE优化设计软件，使得这一最具挑战性的课题变得易如反掌。除了先进的优化方法，新型结构的大胆尝试也可以很大程度上提升结构承载比。如利用仿生学研究的点阵结构。

    图3 仿生点阵结构

    基于以上考虑，设计过程中，始终以最轻为设计目标，以最刚、最强为设计约束，结合要求及约束条件，梳理了设计思路，开展了多方案的对比分析及优化设计，流程如图2所示。