有效载荷机柜结构优化设计

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1、V01．19No．2航天器工程第19卷第2期34SPACECRAFTEN(；INEERING2010年3月有效载荷机柜结构优化设计王大鹏(北京空间飞行器总体设计部。北京100094)摘要有效载荷机柜是栽人航天器密封舱内安装有效栽荷的重要结构，在设计上既要具备一定的刚度保证，以满足发射力学环境要求，又要通过减轻自身重量来提高有效栽荷发射能力。文章根据载人航天器密封舱的基本结构设计要求，完成了有效载荷机柜结构的基线设计，进行了有效载荷机柜的有限元建模和模态分析，以减重为目标，刚度为约束条件，完成了有效载荷机柜结构优化设计，并基于敏感度分析得到了有效栽荷机柜结构设计参数对其刚度的影

2、响关系。文章的分析思路和研究结果对工程设计具有指导意义。关键词载人航天器有效载荷机柜模态分析优化设计敏感度分析中图分类号：TN95文献标志码：A文章编号：1673—8748(2010)02—0034-06OptimizationforPayloadRackStructureDesignWANGDapeng(BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering，Beijing100094，China)Abstract：Payloadrackisanimportantstructureinthepressurizedmoduleofmanne

3、dspacecraft，andprovidesthebasichousingandmountingstructureforpayloads．Thestiffnessofthepayloadrackneedstomeetstaticanddynamicloadrequirementsparticularlyinthelaunchprocess．Mean—while，thestructuremassreductionisanimportantmeasureforincreasingthepayloadlauncha—bilitywhenthepayloadrackisindesi

4、gn．Inthispaper，thebaselinestructureofapayloadrackismodeledbasedonthestructureofatypicalpressurizedmodule．Also，thepayloadrack’SFEAmodeliscompletedandusedformodalanalysis，inwhichmassreductionischosenasthedesignforoptimizationtargetsubjecttotherack’Sstiffnessconstraint，andtherelationshipbetwee

5、nstructuredesignvariablesandrack’Sstiffnessisgivenbasedonsensitivityanalysis．TheresultscanbeappliedtOengineeringdesign．Keywords：mannedspacecraft；payloadrack；modalanalysis；designoptimization；sensitivityanalysis引言有效载荷机柜(以下简称“机柜”)已在“国际空间站”上得到了成功的应用‘川。机柜用于航天器密封舱内安装有效载荷，在设计上除了满足有效载荷安装接口、环境控制、以及航

6、天员在轨操作的要求外，必须保证机柜在发射过程中满足火箭的发射环境条件，因此刚度分析是机柜结构设计的重要方面。优化设计技术已成功应用于复杂飞行器的概念设计收稿日期：2009—12—22：修回日期：2010—03—01基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：王大鹏(1975--)，男，博士，高级工程师，主要从事航天器系统设计和维修性设计工作。第2期王大鹏：有效载荷机柜结构优化设计35和详细设计[2-6]。航天器结构优化设计中，在满足设计要求的前提下减轻结构重量，从而增加有效载荷能力，减少发射成本。本文通过考虑密封舱内结构特点、发射环境、以及航天员在轨操作要求，进行机柜的结构基线设

7、计和模态分析工作；并综合考虑机柜结构重量、刚度要求、以及结构设计变量的取值范围，对机柜结构开展优化设计，研究机柜结构设计变量对刚度的影响程度，从而指导工程设计。为了突出研究意图，机柜各结构部件采用相同的材料。2结构设计为了充分利用密封舱内空间，机柜的后部设计成圆弧形，结构为梁系与壳体组成的框架蒙皮结构。如图1～图3所示，主结构为4根主承力柱，截面为H形；前后上支撑采用矩形梁结构，前下支撑采用H梁结构，后下支撑采用板壳结构；侧向支撑采用8个H截面承力梁结构；上下连接杆为圆截面；主承力柱与横向支撑通过六个对