卫星用网格状复合材料承力筒结构优化设计.pdf

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1、上海航天AEROSPACESHANGHAI第28卷2011年第3期文章编号t1006—1630(2011)03—0050—05卫星用网格状复合材料承力筒结构优化设计陈伟明(国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073)摘要：基于MSC．NASTRAN通用结构分析软件用有限元法对某卫星平台轻量化设计进行了研究。主承力结构选用新型网格状复合材料承力筒结构，优化目标为结构质量最轻。在结构强度、刚度和稳定性，满足卫星平台使用要求的约束条件下，讨论了承力筒的网格交角、网格数、网格截面尺寸与蒙皮

2、厚度、铺层方式，以及材料选择等优化变量的确定。对根据优化结果制造的1；1的承力筒结构的实验验证证明结构优化正确。关键词：卫星，中心承力筒；网格结构；优化设计中图分类号：V414．8文献标志码：AOptimizationDesignofCompositeGridStiffenedCylinderinSatelliteStructure●CHENWei—ming(CollegeofAerospaceandMaterialEngineering。NUDT，Changsha410073，Hunan，Ch

3、ina)Abstract：Themass-lighteningdesignoftheforce-bearingstructureforsomesatelliteplatformwasstudiedbyusingfiniteelementmethodinMSC．NASTRANsoftwareinthispaper．Thenewgriddingcompositegridstiffenedcylinderwaschosen．Theobjectiveoftheoptimizationwastominim

4、izetheweightofthestructure．Designvariablesincludingangleandnumberofthegrid，cross—sectiondimensionsofthegird，thicknessoftheenvelope，stackingsequencesandmaterialswereoptimizedundertheconstraintconditionsofthestiffness，strengthandstabilitywhichweresatis

5、fiedtherequirementsofthestructure．Theexperimentalresultsofacompositegridstiffenedcylinderwithascaleof1l1wasfabricatedshowedthattheoptimizationwascorrect．Keywords：Satellite；Cylinder；Gridstructure；0ptimizationdesign0引言结构承载效率是卫星平台结构设计核心，应利用最小结构质量实现最大的承载

6、能力。复合材料网格结构可综合新材料技术和新设计的优点，能大幅提高结构效率、减轻质量、增加有效载荷，已成为制备高性能结构的新途径和新方法。据资料统计，与传统金属蜂窝壳体相比，复合材料加紧网格壳体可节约质量40％多；与目前应用的铝质整流罩相比，应用于探空火箭有效载荷整流罩的网格结构质量则降低了60％[1]。轴向稳定性是加筋网格圆柱结构重要的设计内容之一。设计中应合理搭配部件中的各种尺寸参数，在满足结构强度和刚度约束条件下，能满足结构的稳定性要求，从而实现结构质量最轻的设计目标。文献[2]以网格质量最

7、小化为设计目标，以筋条高度、筋条宽度、筋条间距、蒙皮铺层方式和加筋构型为设计变量，在整体屈曲约束和强度约束下，采用遗传算法对网格加筋筒进行优化设计，获得了在某一压缩载荷下设计变量的最佳取值。文献[3]采用遗传算法，利用等效厚度方法分析结构的整体屈曲载荷，并考虑了蒙皮和加筋的局部稳定性约束，对网格壳结构进行优化计算。本文用有限元法对卫星用网格状复合材料承力筒结构的优化进行了研究。—i：二。=二：川；修回日期渤，。．。化。I优化方案作者简介：陈伟明(1965一)，男，研究员，主要研究方向为卫星结对如

8、图1所示的带蒙皮网格加筋承力筒结构构优化、设计．进行优化。承力筒的外形直径1200mm，筒高*"#2¨IIm*IM《Hm：mg月日*#￡☆¨#t～*镕nm{t*”l390mm。已知约束条件为在规定的准舯志载荷下承力筒强度安仝系数太于15．光筒横向弯曲模志大于300Hz，稳定性系数大干2。设计变量为：承力筒的同格空角、嗣格数量、瑚格截断尺寸和蒙皮厚度、铺屡方式．以及材料进择等。优化目标结构质量最轻。网惜结构进行优化设H。先建市网格等效模型．求得刚度最优的网格交角和相应的网格制距；其次由优化所得阿格