基于拓扑优化的某航天产品支架结构设计与试验验证

２０２０年０４月／　Ａｐｒｉｌ２０２０

echnical Column纳什均衡点

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技术专栏

Ａｂｓｔｒａｃｔ：The structural design of an aerospace product bracket was finished based on topology optimization technology, the best transmission path was found and the optimum bracket structure was designed to find the maximum base frequency under the constraint of mass. Finally, the base frequency could satisfy the requirement and the experimental results and simulation results showed good consistency. The design achieved the target of saving time and cost and proved the effectiveness of the method.

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：aerospace product bracket; topology optimization; base frequency; experimental verification

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摘要：本文利用拓扑优化技术对某航天产品的支架结构进行拓扑寻优，到了结构最佳传力路径，设计了满足重量要求情况下基频最大的支架结构。最终产品基频能够满足要求，而且仿真与试验结果呈现较好的一致性，达到了节省研制周期和成本的目的，表明了文中所述方法的合理有效性。关键词：航天产品支架；拓扑优化；基频；试验验证

中图分类号：V414 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2020)02-0098-03

中国生物工程杂志基于拓扑优化的某航天产品支架结构设计与试验验证

Structural Design of an Aerospace Product Bracket Based on Topology

Optimization and Experimental Verification

刘磊，马爱军，刘洪英，彭扬林，石蒙，董睿，赵亚雄，闫利

（中国航天员科研训练中心，北京 100094）

LIU Lei, MA Ai-jun, LIU Hong-ying, PENG Yang-lin, SHI Meng, DONG Rui, ZHAO Ya-xiong, YAN Li

(China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094)

前言

随着我国载人航天事业的不断发展，越来越多的航天产品需要自主研发与设计。在火箭发射过程中要经历复杂的振动环境，因此航天产品设计过程中要考虑其满足动力学特性要求［１］。固有频率特别是基频是产品结构的固有特性，其值越大表明结构刚度越大，在单机设计过程中一般要保证其基频大于１００　Ｈｚ，使得在正弦振动环境中不产生共振而造成响应较大程度的放大。另一方面，由于航天器发射成本高，研究表明，航天器重量每增加１　ｋｇ，发射成本提高１０　０００美元［２］。因此在航天产品设计过程中要考虑其重量，特别是控制支架结构等非核心功能部件重量［３］。错位关系

本文的研究对象是某航天产品，在其设计过程对支架结构有限重要求，如何在重量满足要求的情况内寻支架结构最优结构形式，使得产品基频尽可能的高（至少１００　Ｈｚ以上），因此选择利用拓扑优化技术进行寻优。

１拓扑优化的思想

结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求材料最优分布的问题，通过拓扑优化，设计人员可以全面了解产品结构力学特性，到结构的最佳传力路径，有针对地对结构进行设计［４］。结构拓扑优化示意图如图１。

基金项目：中国载人航天工程基金项目。

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