[发明专利]基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法

说明书

本发明公开了基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法，涉及结构优化与测量的相关技术领域，该方法包括如下步骤：根据结构装配关系，确定优化设计域及载荷约束；利用有限元思想对设计域进行前处理，并设定优化目标函数与结构尺寸工艺参数；通过拓扑获得结构主传力路径，并对构型边界进行线性拟合；借助力学仿真分析，确定构型的优化尺寸变量并迭代；判断当满足性能要求时，利用相似理论创建缩比模型并冗余处理；进一步，搭建物理实验平台测量模型微变形，以最终指导设计出满足工程要求的结构。本发明提供了在航天高标准领域，利用优化算法完成结构轻量化设计并搭建缩比模型实验平台的设计思路，达到设计结果的高可靠性要求。

技术领域

本发明涉及结构优化与测量的相关技术领域，具体涉及一种基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法。

背景技术

随着航天产品的复杂性越来越高，并受制于航天器发射重量的限制，对航天产品的结构力学性能提出了更高要求，尤其是如何实现在对结构非核心功能部件重量限制下，寻找出满足要求的最优结构形式。同时，针对航天产品的高可靠性要求，所设计结构需经过物理实验的验证。具体针对航天支架结构设计中，对搭建的空间载荷质心位移变形量提出设计要求。

如图2所示的某航天支架结构装配体，主要有：安装靶面1、固定支架2、空间载荷3、主支撑件4组成。为对空间载荷开展地面物理实验，需将其安装在距离靶面一定位置处，并在实验过程中对其质心位移变形量提出了较高要求，同时受支架质量限制，需要对航天支架尤其主支撑件的结构进行轻量化设计并开展微变形测量。

目前，在航天结构设计与测量中，例如，申请号CN201710225269.3“地面模拟用星箭一体化多功能结构飞行器”，在限定空间内集成了多载荷以实现结构的深度一体化，但其仅从载荷布局方式出发，使系统结构更加紧凑并减小冗余体积，没有进一步利用仿真优化手段来提升飞行器性能；申请号CN202010463766.9“基于相似理论的飞艇缩比模型设计方法”，提出使用缩比模型开展有效的物理实验，可获取全尺寸模型的力学特性，更好指导实际工程结构设计修正及验证可靠性，但仅提出相似理论而没有详细阐述缩比模型的物理测量方法，如微变形(缩比后为微米级形变)的测量应当如何实现。

发明内容

本发明针对现有航天结构设计与测量中的上述不足，提供了一种通过拓扑优化算法实现对结构非核心功能部件的轻量化设计，并利用相似理论搭建缩比模型以方便获取结构全尺寸的力学特性。具体针对航天支架结构设计展开方法阐述，并提供了一种实现微变形测量的物理平台。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实施的：基于相似理论的航天支架缩比模型轻量化设计与微变形测量方法，包括如下步骤：

步骤S1、分析工程结构装配关系与环境载荷约束条件，确定工程结构的优化设计域；

步骤S2、搭建ANSYS下的结构拓扑优化环境，完成拓扑以获得结构设计域的主传力路径；

步骤S3、借助SolidWorks对所得到的拓扑构型几何边界进行多边形拟合，获得新结构形式；

步骤S4、通过力学仿真分析，对新结构力学性能进行分析校核，并选定新结构中关键部件的相应形状尺寸作为优化设计变量；

步骤S5、搭建ANSYS和SolidWorks的联合仿真环境，对相应形状尺寸优化变量以离散组合方式开展优化；

步骤S6、通过力学仿真分析，对所获得的优化结构力学性能进行校核；

步骤S7、判断当前优化结构力学性能的收敛性，当所优化的结构力学性能满足要求时，优化迭代结束，执行步骤S9，否则执行步骤S8；

步骤S8、根据力学性能的校核结果，对新结构中的相应优化变量作调整，并执行步骤S5；

步骤S9、对获得的优化结构，根据相似理论创建缩比模型，并作相应工程简化与冗余处理；