基于HyperWorks_OptiStruct的辐射制冷支撑结构拓扑优化设计

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1、第10卷第11期2010年4月科学技术与工程Vol.10No.11Apr.20101671-1815(2010)11-2803-04ScienceTechnologyandEngineering2010Sci.Tech.Engng.航空航天基于HyperWorks/OptiStruct的辐射制冷支撑结构拓扑优化设计邢立坤孙丽崴(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要辐射制冷器是一种通过向空间环境辐射热量而获得冷量的被动制冷装置，具有寿命长、无功耗、无干扰等突出优点，因此广泛应用于红外

2、探测系统。辐射制冷器支撑结构的设计是总体设计中的关键。基于HyperWorks/OptiStruct平台并结合拓扑优化技术完成了辐射制冷器支撑结构的设计，最终的设计结果为结构基频95Hz，辐射制冷器中心对安装底面的频响放大倍数最大值为3.7，满足系统要求。关键词辐射制冷拓扑优化结构设计有限元分析中图法分类号V474.1O327TP391.9文献标志码A空间辐射制冷是利用宇宙空间自然的高真空、冷器支撑结构的设计是总体结构设计中的关键。深低温和黑热沉等有利条件，通过辐射传热原理，拓扑优化技术在概念设计阶

3、段能够激发设计使制冷器不断向空间辐射热量，同时尽可能多地屏人员的灵感，有效实现结构最佳功能和最小成本的［1］［3］蔽外部热流，以达到被动制冷的目的。辐射制冷结合，因此成为结构优化设计领域的热点。器具有以下突出优点:寿命长，可适应空间飞行任Altair公司的HyperWorks/OptiStruct软件是全务的时间要求;无功耗，省去卫星的有限能源供给;球最先进的结构优化设计软件之一。本文基于Hy-无运动部件，具有较高的可靠性和稳定性;无机械perWorks/OptiStruct平台，结合具体的设计要求

4、，对振动和电磁干扰，对探测器件的工作性能没有影响。某空间相机辐射制冷器支撑结构进行了优化设计，空间辐射制冷技术自1966年美国“雨云1号”并提出了加强方案。(Nimbus-1)卫星首次搭载了圣.巴巴拉研究中心(SBRC)研制的单级圆锥型辐射制冷器以来，至今1辐射制冷器支撑设计已有30多年历史，已被广泛应用于地球资源、气象、1.1辐射制冷器支撑设计要求海洋等多种对地观测和行星观测、天文观测卫［2］辐射制冷器支撑的作用是连接辐射制冷器与星。辐射制冷技术在当前迅速发展的空间红外空间相机基板，结合空间相机整

5、体质量分配与接口探测器用制冷技术中仍占有一席之地，仍然是空间设计要求，辐射制冷器支撑设计的具体目标如下:应用最主要的制冷技术之一，并具有广泛的发展质量小于20kg(选用铝材料)，结构一阶频率大于前景。80Hz，中心孔对底部安装面的频响放大倍数小于辐射制冷器在空间相机中所占的体积和质量4。此外还需满足中心孔对底面高度为465mm等比重都较大，而且往往带有悬臂结构，因此辐射制基本接口条件。1.2拓扑优化基本原理2010年1月8日收到［4］第一作者简介:邢立坤(1984—)，男，黑龙江人，硕士生，研究方向

6、:优化设计的数学模型可表述为:空间结构的力学分析和优化。E-mail:ak0398@gmail.com。最小化f()X=f(x1，x2，…，xn)2804科学技术与工程10卷约束条件gj()X≤0，j=1，…，m体积分数最小，优化约束为一阶频率不小于80Hz。hk()X=0，k=1，…，mh1.4优化结果分析xL≤x≤xU，i=1，…，n。通过OptiStruct模块对前述模型进行拓扑优化iii式中，X=x1，x2，…，xn是设计变量;f(X)是目标函计算，经过80步的迭代，得到的优化结果如图2数;

7、g(X)是不等式约束函数;h(X)是等式约束函所示。数;上角标L是指下限，上角标U是指上限。在OptiStruct中，目标函数f(X)、约束函数g(X)与h(X)是从有限元分析中获得的结构响应。设计变量X是一个矢量，它的选择依赖于优化类型，在拓扑优化中，设计变量为单元的密度。在拓扑优化中，用连续变量的方式表示材料的分配问题。OptiStruct使用均匀化法和密度法定义材料的流动规律。对于本文采用的密度法，每个单元的材料密度直接被作为设计变量，在0—1之间连续变化，0和1分别代表空或实。1.3初步优化

8、建模首先在3D建模软件中完成辐射制冷器支撑的图2经过80步迭代后的优化结果图三维初步建模，使其满足必要的接口条件，然后导入HyperWorks。图2所示的拓扑优化结果显示了三个轻量化的方向(图2中蓝色区域)，通过简单的探索性实验可知:对上图①区域所代表的侧板进行去材料，支架的模态变化不大;对上图②区域所代表的正面立板进行去材料，支架的一阶频率降低明显;对上图③区域所代表的底板进行取材料，支架的一阶频率略有降低。由于篇幅所限，此部分内容不进行详细阐述。1.5轻量化设计与