卫星天线复合材料框架的铺层优化设计

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1、2017年5月第43卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2017V01．43NO．5http：／／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2016．0392卫星天线复合材料框架的铺层优化设计陶扬1，王春洁1’2一，付志方1(1．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083；2．北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室，北京100083)摘要：为

2、了改善卫星天线复合材料框架的结构动力学性能，提出了一种针对卫星天线框架复合材料铺层的两阶段优化设计方法。阶段I以各铺层的角度为设计变量进行铺层顺序优化，框架基频的最大化为优化目标，铺层数的最大值为约束条件。其中设计变量用一种多进制码来表示，并将多进制码映射为连续变量，应用粒子群优化(PSO)算法对阶段I优化模型进行求解。在阶段I优化结果的基础上，阶段Ⅱ主要是优化复合材料的层数，以基频最大化与质量最小化为优化目标建立多目标拓扑优化模型，应用第2代非劣排序遗传算法(NSGA．II)进行求解。为了验证该方法的有效性，对某大型卫星天线复合材料框架进行优化设

3、计，结果表明：该方法能有效地减小天线板复合材料框架的质量，并提高基频。关键词：复合材料框架；卫星天线；两阶段优化；结构动力学性能；映射中图分类号：V414．8文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)05—1031．07复合材料有着较高的比强度与比刚度，并且通过改变复合材料的铺层数、铺层顺序以及每层的铺层角度，可使其满足结构的不同设计要求。复合材料的这些优点正是卫星天线所需要的，因此，在卫星天线框架设计中复合材料有着广泛的应用。为了避免在卫星发射过程中可能发生的共振，要求卫星天线框架拥有较高的基频，并在满足基本力学要求的情况下，进行轻量

4、化设计，以降低整星的发射重量。因此，如何设计复合材料的铺层能使卫星天线框架基频高、质量低是一个需要解决的实际工程问题。目前，国内外学者在复合材料铺层优化方面进行了大量研究。文献[1]提出一种改进模拟退火算法对复合材料层合板进行频率优化，设计变量为铺层角度和铺层数2种离散变量。文献[2]提出一种改进遗传算法来进行复合材料板的频率优化，设计变量为成对组合的铺层组。文献[3]在初步设计复合材料板结构和铺层方案的基础上，运用遗传算法实现复合材料板的多目标优化。文献[4]通过复合材料板参数优化和铺层顺序优选两步法实现了层合板频率优化。文献[5]通过一种从外层

5、到内层的分层优化方法来进行复合材料板的频率优化。文献[6-7]则是通过对复合材料板的变刚度设计，来使复合材料结构更加高效。文献[8]设计铺层角度的同时，采用拓扑优化的思想，优化铺层材料在叠层材料中的分布。文献[9]提出了一种整数编码策略，以整数来表示铺层参数，并用遗传算法进行求解。文献[10]固定铺层厚度，以铺层角度作为设计变量来优化铺层顺序，采用蚁群算法求解。文献[11]对卫星承力筒复合材料结构进行了优化，以减重为目标，以固有频率和屈曲稳定性作为约束，保持铺层角度与铺层顺序不变，设计变量为每层铺层的厚度。以上研究是从铺层顺序、铺层角度和铺层厚度这

6、收稿日期：2016-05-11；录用日期：2016-08—10；网络出版时间：2016-09-0716：30网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160907．1630．002．html$通讯作者：E-mail：wangcj@buaa．edu．en引用格式：胸扬，王春洁，付志方．卫星天线复合材料框架的铺层优化设计ⅣJ．北京航空航天大学学报，2017，43(5)：1031．1037．TAOY．WANGC)．FUzF．Layupdesignoptimizationofcompositeframefors

7、atelliteantenna[1]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics．2017．43(5)：1031-1037(inChinese)．1032北京航空航天大学学报些因素来进行优化，设计变量以离散变量为主，离散变量能有效地描述复合材料的铺层方式，但设计变量数会随着层数的增加而增加，因此计算量大，难以在实际工程中应用。本文针对卫星天线复合材料框架的铺层优化问题，提出了一种复合材料铺层的两阶段优化方法。阶段I目的是铺层顺序的优化，以框架的基频最大化作为优化目标。对于卫星天线框架

8、，由于框架各梁的力学边界条件不同，因此每根梁的复合材料铺层均需单独作为设计变量，从而使得卫星天线框架铺层的优化问题的设计变