基于敏度分析的可展开桁架刚度优化设计

王兴泽 徐燕菱 林秋红 李林 王春洁

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

(2北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191)

基于敏度分析的可展开桁架刚度优化设计

王兴泽1徐燕菱1林秋红1李林1王春洁2

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

(2北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191)

可展开桁架是高分三号(GF-3)卫星SAR天线的关键部件,其在轨展开状态的刚度指标将直接影响到卫星的成像品质,同时,为尽可能减小对整星的影响,要求展开状态的比刚度越大越好。文章针对桁架展开刚度优化问题,提出了基于敏度分析的方法,通过对GF-3卫星SAR天线中的铰链刚度的敏度分析,得到了展开刚度优化的最优途径。在此基础上,利用该方法对多模块桁架展开状态刚度进行了优化,实现了桁架的高比刚度。

刚度;可展开桁架;铰链;敏度分析

1 引言

SAR天线可展开桁架技术是大型SAR成像卫星的关键技术之一,其展开后的刚度指标对成像精度具有决定性的意义。可展开桁架构型复杂、单翼转动副共28处,零部件数量较多。由于天线在轨为失重状态,与地面产品相比更关注结构轻量化及展开刚度。同时,为提高铰链刚度就要付出增加质量的代价。因此,需要合理分配各转动副处铰链刚度指标以实现高比刚度的设计目标,通过多参数优化实现展开状态下的高比刚度是设计过程中的重要问题[1-3]。

高分三号(GF-3)卫星SAR天线是目前我国在轨飞行的最大的可展开平面天线阵,在优化设计方面国内外没有相关参考文献可供借鉴。文献[4]采用Isight方法对桁架结构进行多参数优化设计,获得满足结构刚度和承载性能要求的最轻质桁架结构的几何参数,并分析最优化结构在载荷作用下的结构非线性响应行为。文献[5]通过Isight方法对机翼翼梁进行结构优化设计．在结构优化中以结构质量为目标,腹板MISES应力、缘条轴向应力和缘条BEAM单元应力为约束,明显地减少了翼梁的耗材,并且优化结果满足强度要求。文献[6]通过Isight方法建立了结构优化系统,开展结构分析和敏度分析,采用自主开发的基于二级多点逼近算法的程序模块进行寻优计算。

本文通过Isight方法,进行可展开桁架展开刚度敏度分析,运用多种优化算法探索得到优化方案,大幅缩短了产品研制周期,降低了研发成本。

2 GF-3卫星可展开桁架设计

1)可展开桁架介绍

展开状态下的桁架构型(平面简图)如图1(a)所示。该构型可以分解为3套连杆机构,包括一套由①②③杆和天线内板共同构成的五杆机构;一套由③④⑤杆和天线内板共同构成的四杆机构;一套由④⑤⑥⑦杆以及天线板内板和天线板外板共同构成的六杆机构。通过对连杆机构的设计,可以到达如图1(b)所示的收拢状态构型[7-8]。该机构共有活动铰链环节10处,其中A(支撑杆根部铰链)、B(支撑杆铰链)、E(内桁架铰链)、H(外桁架铰链)、I(板间铰链)以及O(根部铰链)为锁定环节。本节主要围绕上述6组铰链开展敏度分析及展开刚度优化设计。

2)优化思路

Isight作为一种优化设计的方法,可实现与有限元分析软件集成进行迭代优化。在分析文件中,建立参数化模型后,通过算法实现参数对目标函数的迭代计算,最终完成整个优化流程[4,9],如图2所示。

利用Isight方法设计的展开刚度优化流程如图3所示。通过优化组件设置展开刚度优化的设计变量、约束变量和目标函数,获得影响展开刚度的敏度分析结果,进而得到展开刚度最优的参数配置。

3)铰链刚度敏度分析

通过Isight方法集成Patran、Nastran软件实现优化流程自动化,以整体基频为输出函数,通过实验设计的方法对铰链刚度进行敏度分析。将6组铰链的刚度值按照已有产品实测刚度进行初值赋值,经对初始状态进行模态分析,展开基频为2．13 Hz。在敏度分析过程中,各铰链六个自由度的刚度允许变动范围均为初始值的90%～110%,实验设计方法采用参数研究法,得到对展开刚度影响较大的基频参数值,如表1所示。

图1 可展开桁架构型Fig.1 Configuration of deployable truss

敏度分析结果显示,铰链弯曲刚度对桁架展开刚度影响不明显,在后续优化过程中对弯曲刚度进行了下调。根部铰链拉压刚度及弯曲刚度值对展开刚度贡献不大,因此,在后续设计中将根部铰链采用无锁钩设计,减轻质量的同时提高了展开可靠性。优化过程中桁架展开状态下的展开基频变化过程见图4,优化后的基频为2．51 Hz,比初始的基频提高了18%。

图2 Isight方法集成的Patran、Nastran软件流程Fig.2 Integration flow chart of Patran、Nastran on Isight platform

图3 展开刚度优化流程Fig.3 Integration flow chart of stiffness optimization

表1 对展开基频影响显著的铰链刚度参数Table 1 Stiffness parameters with significant influence on fundamental frequency

图4 优化过程中桁架展开状态下的基频变化过程Fig.4 Change of fundamental frequency in optimization process

3 多模块可展开桁架展开刚度优化设计

1)多模块可展开桁架介绍

随着我国高分辨率对地遥感卫星成像精度及成像质量的提升,对上百平米的SAR天线需求越来越迫切,因此,通过模块化展开机构实现大阵面天线在轨展开成为关键技术之一。针对新一代大型SAR展开天线,通过对铰链刚度及杆件直径、壁厚等参数的敏度分析进行展开刚度优化分析研究。单翼展开尺寸约为2 m×30 m,由相邻2块天线面板形成一个展开模块,共3个模块组成,模块间通过联动装置实现传动及展开刚度维持(图5)。

图5 多模块可展开桁架Fig.5 Modular deployable truss

展开运动可简化为一个平面运动,故对可展开天线投影到x-y平面后的构型进行研究,如图6所示。图中,a1～a8表示桁架接头铰链,b1～b4表示板间铰链,c1～c4表示桁架铰链,d1～d6表示支撑杆铰链及同步接头,f1～f9表示模块间剪式机构铰链,①～○42表示桁架杆件。

图6 多模块可展开桁架构型Fig.6 Configuration of modular deployable truss

2)铰链刚度敏度分析

通过Isight方法集成Patran、Nastran软件实现优化流程自动化,以整体基频为输出函数,通过实验设计的方法对铰链刚度进行敏度分析。各铰链六个自由度的刚度允许变动范围均为设计初始值的90%～110%,实验设计采用参数研究法,由此获得了9个刚度参数作为影响基频较大的关键参数,见表2。

表2 对基频影响显著的刚度参数Table 2 Stiffness parameters with significant influence on fundamental frequency

3)杆件截面参数敏度分析

将杆件按照截面积大小分为6类,由于同类杆件的截面可由外径和壁厚两个参数进行确定,因此共考核12个关键参数。通过Isight方法集成Patran、Nastran软件实现优化流程自动化,以整体基频为输出函数,通过实验设计的方法对截面参数进行敏度分析。各截面参数数值允许变动范围均为设计初始值的90%～110%,实验设计方法采用参数研究法,得到6个参数作为刚度优化的重要参数,如表3所示。表中标注反效应,即其值变小展开机构基频变大,有利于减重优化。

表3 对基频影响显著的截面参数Table 3 Section parameter of rod with significant influenceon fundamental frequency

4)可展开支撑桁架展开刚度优化

通过对铰链刚度及杆件截面参数的敏度分析结果进行优化,得到了优化构型并在该构型下,优化参数设置完成后进行了展开刚度迭代优化,计算结果显示,基频为0．656 Hz,机构整体质量约为136 kg。相较初始赋值状态(基频0．465 Hz,机构整体质量152．8 kg),频率提高41%,质量下降11%,达到了刚度优化并减重的目的。

4 结束语

为满足在有限的结构质量条件下,提高SAR天线可展开桁架展开刚度的需求,本文通过Isight方法集成Patran、Nastran等分析软件,以质量为约束条件,以杆件截面面积、铰链各向刚度为设计变量,进行了针对杆件截面积、铰链刚度的敏度分析,最终实现了可展开桁架展开刚度的优化。优化结果表明,敏度分析结果大幅度地提高了铰链及杆件相关参数对展开刚度的贡献。GF-3卫星SAR天线通过优化设计,可实现展开刚度指标18%的增长。同时,模块化可展开桁架通过优化设计,与初始赋值模型相比,在质量下降的情况下,刚度提高了41%。此方法可为后续模块化SAR天线方案设计提供有力支撑,并显著提高设计效率。

References)

[1]陈筠力,李威．国外SAR卫星最新进展与趋势展望[J]．上海航天,2016,33(6):1-19 Chen Junli,Li Wei．Recent advances and trends of sar satellites in foreign countries[J]．Aerospace Shanghai,2016,33(6):1-19(in Chinese)

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[4]黄春芳,肖加余,郑青,等．应用Isight的复合材料桁架结构优化设计[J]．国防科技大学学报,2016,38(1):39-43 Huan Chunfang,Xiao Jiayu,Zheng Qing,et al．Sructural optimization of composite truss based on Isight platform[J]．Journal of National University of Defense Technology,2016,38(1):39-43(in Chinese)

[5]王想生,赵彬,李永刚,等．基于ISIGHT/NASTRAN的机翼翼梁的结构优化设计[J]．飞机设计,2008(4):23-27 Wang Xiangsheng,Zhao Bin,Li Yonggang,et al．Structure optimization design of wing spar base on ISIGHT/NASTRAN[J]．Aircraft Design,2008(4):23-27(in Chinese)

[6]陈坤艳,袁家军,黄海．基于MSC．PATRAN NASTRAN的结构优化程序系统[J]．宇航学报,2005,16(4),515-518 Chen Kunyan,Yuan Jiajun,Huang Hai．Structure optimization program system base on MSC．PATRAN NASTRAN[J]．Journal of Astronautics,2005,16(4),515-518(in Chinese)

[7]Yanling Xu,Qiuhong Lin,Xingze Wang,et al．Mechanism design and dynamic analysis of a large-scale spatial deployable structure for space mission[C]//Seventh International Conference on Electronics and Information Engineering．Nanjing:Southeast University,2016

[8]W D R Thomas．Radarsat-2 extendible support structure[J]．Canadian Journal of Remote Sensing,2004,30(3):282-286

[9]赖宇阳．Isight参数优化理论与实例详解[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2012:3-4 Lai Yuyang．Paramerter optimization theory and example explanation of Isight[M]．Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2012:3-4(in Chinese)

Optimization Design of Deployable Truss Stiffness Based on Sensitivity Analysis

WANG Xingze1XU Yanling1LIN Qiuhong1LI Lin1WANG Chunjie2
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(2 School of Mechanical Engineering&Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)

Deployable truss is the key component of SAR satellite mission,and its performance directly affects the imaging quality of the satellite．At the same time,in order to reduce the influence of deploying on the satellite,the specific stiffness of the deployable truss should be as large as possible．The deployable truss stiffness optimization method is proposed based on the sensitivity analysis of the GF-3 SAR antenna hinge stiffness to deployable truss stiffness optimization．On this basis,using this method multi module deployable truss expanded state stiffness is optimized．

stiffness;deployable truss;hinge;sensitivity analysis

V414

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.012

2017-10-25;

2017-11-29

国家重大科技专项工程

王兴泽,男,硕士,工程师,研究方向为空间可展开机构。Email:wangxingze_cast＠163．com。

(编辑:张小琳)