蒙皮点阵结构参数化及力学性能优化

针对蒙皮点阵结构的拓扑参数设计困难的问题,提出了基于胞元拓扑结构的蒙皮点阵结构建模方法,构建了蒙皮点阵结构试件的参数化建模及力学性能协同优化系统。将5种胞元构成的试件的蒙皮厚度与胞元尺寸及支柱截面半径作为优化参数,试件质量、变形和应力等设定为优化目标,使试件在分别受到压缩、弯曲、扭转载荷时具有较好的力学性能,从而得到轻质、高强度的点阵结构材料。研究得到了在各种载荷下蒙皮点阵材料的设计与优化的分析方法及各种胞元结构试件力学性能的数据,并通过实例验证了该方法的正确性及可靠性。     

PMI结构泡沫在航天电子模块散热和轻量化设计中的应用

随着载人航天技术的发展,以及综合一体化理念向航天电子系统领域的延伸,航天电子设备的性能和功能越来越强大,对电子模块的重量、体积、散热能力等指标提出了越来越高的要求。通过分析PMI结构泡沫的性能特点,设计了基于PMI泡沫和热管的电子模块结构。通过实物研制和试验测试,分析了该种结构在散热方面和轻量化方面相比于铝合金结构电子模块的优缺点,为航天电子设备兼顾散热和轻量化的设计需求提供了新的解决途径。     

一种轻量化天线单元结构设计

针对某机载雷达天线单元轻量化设计需求,提出基于“蒙皮+泡沫支撑+微带天线”的3层复合结构形式。该结构型式可以很好兼顾性能、重量、刚强度、环境适应性、可制造性等需求。根据仿真分析结果,对天线单元安装支架进行优化设计。通过环境试验与电性能测试,验证了天线单元设计的可行性与可靠性。     

复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构损伤的有限元分析

复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构中蒙皮承受全部弯矩,因而蒙皮的损伤机理和破坏载荷对结构的设计有着极为重要的意义与价值.通过自行编制UMAT子程序将三维逐渐损伤技术嵌入ABAQUS有限元软件程序中,随后基于复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构静态弯曲试验,建立了结构局部的三维有限元模型,用子程序模拟了复合材料蒙皮损伤演化过程,并预测了初始破坏强度.模拟预测蒙皮损伤产生的位置和长度与试验观察到的蒙皮破坏部位和长度完全一致,预测的初始破坏强度和试验的误差为4.48%,由此证明了该有限元模型的准确性.从而为复杂的中厚蒙皮多墙翼面结构在实际工程中的应用提出了一种更为有效可靠的研究方法.     

红外成像与激光发射系统共口径结构轻量化设计

针对某空间红外成像与激光发射共口径光学系统主支撑结构的轻量化设计问题,在低质量及高力学性能的基础上,对主支撑镜筒结构优化、仿真分析以及红外成像系统样机的性能检测等方面进行了研究。首先利用简化载荷的模型,根据变密度法,建立了以支撑镜筒柔度为目标函数,以质量保留比为约束的拓扑优化数学模型,实现了初步轻量化;然后基于响应面法,通过中心复合试验设计了多目标遗传算法,对初步轻量化模型进行了多目标优化,实现了最终轻量化;最后对红外成像系统实物样机的系统调制传递函数和焦距进行了检测。研究结果表明:经两次优化的模型轻量化率提高了13%,1阶固有频率提高了24.7%,最大应力降低了42.3%,最大变形减少了20.7%;实际检测结果显示经优化设计的主支撑结构满足使用要求。     

某星载相控阵阵面主支撑结构设计

某星载相控阵天线体积大、热耗高,减重设计和快速散热是结构设计的关键。针对天线的结构设计和热设计需求,采用内部预埋槽道热管的铝蜂窝加蒙皮复合板材作为导热支撑板,实现了相控阵天线的轻量化设计和高效导热设计。采用有限元方法对天线系统的力学性能及热性能进行校核,并通过实物测试验证了新型导热支撑板能够满足设计要求。     

复合材料铺层角度对蜂窝板动态性能的影响

为了提高卫星探测器蜂窝板的动态性能,将蜂窝板中的蒙皮和支撑结构采用复合材料设计。对蒙皮和支撑结构设计了六种复合材料铺层方案,并与常用的铝材结构进行分析对比,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,通过对复合材料件及蜂窝板整体结构的动态性能分析,研究铺层角度对蒙皮、支撑结构及整体蜂窝板刚度的影响,确定了最佳方案,满足航天飞行器基频设计要求。研究工作为蜂窝板的结构优化设计提供了理论依据,对同类航空结构的设计也有很好的借鉴作用。     

点阵夹芯圆筒扭转稳定性的参数化分析

针对扭转载荷作用的四面体点阵夹芯圆筒,以基于等质量圆壳结构的性能增强系数为评价指标,利用有限元数值方法,对点阵杆截面形状、圆筒蒙皮厚度、单胞相对密度、单胞数目及单胞构型对结构扭转稳定性的影响进行了参数化分析。结果表明:结构扭转稳定性能受单胞相对密度和蒙皮厚度变化显著影响,但不同截面形状的等截面积实心杆点阵结构的扭转屈曲性能基本相同,包含更多的点阵单胞有利于增强结构扭转稳定性,而较小相对密度时杆长短的点阵单胞夹芯圆筒扭转性能更具优势。计算结果对点阵夹芯圆筒的设计具有指导意义。     

全景式航空相机扫描反射镜及支撑结构设计

扫描反射镜是航空相机光路转折、像移补偿和自准直调焦的关键部件,扫描反射镜及其支撑结构的设计水平对航空相机的性能有重要影响。以某全景式航空相机为例,在总结了扫描反射镜尺寸、轻量化结构、柔性支撑结构的一般设计方法基础上,设计了三角形和四边形轻量化孔组合形式的扫描反射镜结构,并提出了一种背部三点柔性支撑结构形式,经验证可以满足设计指标中对反射镜面型精度的要求。     

几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究

当前的设计准则要求复合材料结构在限制载荷下蒙皮不发生局部屈曲,因此对蒙皮屈曲载荷的准确预测至关重要。设计了三种构型复合材料加筋平板轴压试验件,研究蒙皮在轴压载荷下的屈曲和后屈曲;采用线性特征值有限元方法计算了蒙皮的轴压屈曲载荷;采用多阶屈曲模态线性组合的方式引入初始缺陷,应用非线性方法计算了蒙皮轴压屈曲载荷并进行了缺陷灵敏度分析。计算结果和试验结果对比表明:当前计算蒙皮屈曲的工程方法过于保守,有限元方法可以更准确的计算蒙皮的屈曲载荷;初始缺陷对复合材料平板屈曲载荷有一定影响,其影响大小与缺陷幅值息息相关,不考虑该缺陷,会得到非保守的计算结果。     

基于有限元方法的支承法兰盘结构优化研究

重载变速箱支承法兰盘的结构设计对节约成本、减小箱体整体重量有着重要的影响。基于支承法兰盘的结构特征,通过目标函数的建立、设计变量的选取以及约束条件的确定建立了优化设计的有限元模型,并对法兰盘进行了静力分析。在结构轻量化的目标下,通过对法兰盘进行优化分析,得到了法兰盘安全、可靠的结构最优尺寸,减少了材料的使用。对优化后的模型进行了安全校核,验证其完全满足设计要求。该分析方法对法兰盘结构尺寸的优化具有一定的参考作用。     

金属增材制造液压阀块内部流道优化设计研究

液压阀块是液压系统的重要组成部分，采用锻造-钻铣传统方法加工的流道只能采用直孔形式并且管路交叉沟通不灵活。选区激光熔融增材制造克服了传统加工的限制，可实现两端盲孔流道加工、任意走向及任意曲率流道加工，并能剔除非必需质量，实现液压阀块的集成化、轻量化和节能化设计。与传统阀块相比，金属增材制造液压阀块体积降低30%以上，重量降低50%以上。但是金属增材制造受到悬垂部件阈值角度限制，传统圆形截面流道加工存在局部支撑结构，而阀块内部复杂流道的支撑结构很难去除，因此削弱了增材制造技术在轻量化和节能化方面的效果。以减少内部流道的辅助支撑为目标，提出采用异形截面流道的设计方案，通过理论分析和仿真对比，实现少支撑甚至零支撑的内部流道设计效果，为液压元件的增材制造技术提供理论支撑。     

基于ANSYS的浮空器组阵结构屈曲分析及优化设计

针对空间太阳能电站地面演示系统,提出了一种空间大型浮空器组阵结构,利用ANSYS有限元软件建立其桁架结构的三维模型并进行结构屈曲分析,判断桁架结构的稳定性.以第1阶临界屈曲载荷为约束条件,对桁架梁截面的型材进行尺寸结构优化.通过响应曲面分析和多目标遗传优化算法找到设计优化点,使优化后的桁架结构在保证结构稳定的前提下实现...     

大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

针对某1 m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求,设计了一种轻型分体支撑结构。首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发,综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料;然后以结构质量分数为约束条件,建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,得到了拓扑结果清晰的各分体结构最优传力路径;进一步对主支撑结构各部分尺寸进行二次优化,得到了各分体结构的最佳构型和最优设计尺寸。设计后的分体支撑结构总重为227.8 kg,轻量化率达到93.9%,满足了高轻量化和高刚度要求。有限元分析结果及力学样机试验结果表明:分体支撑结构满足遥感相机整机基频大于50 Hz的刚度要求,在升温5℃工况下反射镜变形在公差范围之内,完全符合卫星平台对光学载荷的要求;力学样机在振动实验前后反射镜组件相对偏移角度均不超过22″,具有较好的稳定性,证明了拓扑优化和尺寸优化方法的合理性和可行性。本文提出的分体支撑结构设计对大型空间离轴相机支撑设计具有较高的工程实践价值。     

支持Web协同的轻量化三维设计框架的研究

计算机支持的协同设计(Computer Supported Cooperative Design,CSCD)是1种分布式的产品设计和开发模式,为用户提供问题讨论和求解的实时协同环境.基于富客户端技术(Rich Internet Applications,RIA)和JT(Jupiter Tessellation)技术,提出了1种面向中小型企业应用、支持Web协同的轻量化三维设计系统框架,并对系统框架以及关键技术进行了详细阐述.基于该框架,中小型企业能够快速部署基于Web的协同环境,并通过轻量化技术完成三维模型的转化,以适应同步协同设计的需要.最后,原型系统验证了轻量化三维设计的有效性,为协同设计领域的应用提供了一定的借鉴意义.     

复杂结构与高性能材料增材制造技术进展

增材制造具有逐点熔凝、分层制造的工艺特征,一方面可实现三维复杂结构零件的快速制造,另一方面可实现材料的高性能化。基于增材制造技术在复杂结构及高性能材料制备方面的巨大技术优势与应用前景,综述了增材制造技术在点阵结构、大型薄壁结构、复杂曲面结构、一体化结构等典型复杂结构,以及在铁基合金、镍基合金、钛基合金、铝基合金、金属间化合物、功能梯度材料、陶瓷等高性能材料方面的研究现状与技术进展,并对增材制造技术在结构设计、专用材料体系、新材料研发、修复与再制造以及数据库与标准等方向的未来发展趋势进行了展望。     

Vibro-acoustic analysis of micro-perforated sandwich structure used in space craft industry

In satellite telecommunications lightweight parabolic reflectors are made with multilayered composite material. During launcher lift-off and the first stage of the flight, vibro-acoustic excitations due to the thrust system and aerodynamic forces are the most critical. The random acoustic load applied to the antenna structure becomes very important and can damage the structure and its equipments. To reduce the acoustic loads, micro-perforated thin shell structures are used in order to reduce the acoustic load applied. CAD and numerical software tools are needed to design and optimise such structures. The computation of the acoustic load induced by a diffuse field on a micro-perforated structure is not classical. The aim of this study is to develop a numerical local impedance model to represent the effect of the perforation to be used within vibro-acoustic software.     

火腿肠包装视觉检测设备重要零部件的拓扑优化

介绍了常用的连续体结构拓扑表达方式和材料插值方法以及求解算法,并比较彼此的优缺点,实现了基于SIMP材料插值方法的最小柔度的数学模型建立,并用优化准则法进行了迭代公式的推导,建立了结构拓扑优化设计的流程图。结合工程实际应用情况,以研发的火腿肠视觉检测设备为对象,采用HyperWorks软件对设备中的重要支撑件进行拓扑优化设计。仿真表明,在满足实际生产强度要求的情况下,零部件体积减少,材料分布更加合理,对零部件实现了轻量化设计,从而为设备的结构改进和优化提供一定的参考依据。     

手动0.9 m便携天线结构设计与抗风分析

对手动便携天线结构设计而言,轻便的结构形式和抗风能力至关重要。该天线系统需在10.7 m/s的风速下正常工作,风载荷引起的天线结构变形会直接影响其指向精度。文中详细介绍了手动0.9 m便携天线的结构设计,并对整个系统在10.7 m/s风速下的指向精度进行了仿真校核。仿真结果显示,该系统的指向精度几乎不受影响,能够满足系统正常工作要求,同时印证了手动0.9 m便携天线轻便的结构设计具有足够的抗风能力。