載人航天某裝置人機交互式結構優化設計

劉 磊，劉洪英，馬愛軍，胡清華，馮雪梅，石 蒙，董 睿，趙亞雄

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載人航天某裝置人機交互式結構優化設計

劉 磊，劉洪英，馬愛軍，胡清華，馮雪梅，石 蒙，董 睿，趙亞雄

（中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

為了解決復雜結構在動力學響應約束下優化的難題，綜合人工以及計算機在復雜結構優化中的優點，提出一種人機交互式優化方法用于載人航天某復雜裝置的優化設計。經過結構優化后的裝置，在質量保持基本不變的情況下一階振動頻率提升41.1%，正弦試驗條件下關心節點的最大加速度響應值減小24.3%，優化效果明顯，滿足優化設計要求，驗證了該優化設計方法的可行、有效。

載人航天裝置；結構優化；人機交互；動響應約束

0 引言

航天器發射過程中要經歷復雜的動力學環境，因此在航天產品的研制過程中，振動是需要考慮的重要因素。同時，航天器質量也是一個重要因素，發射實踐表明，每減少1kg質量，造價可以降低10000美元[1]。因此，如何提高有效載荷的質量占比成為航天器優化設計的重要研究方向。

航天產品研制過程中，設計師希望最初設計即為給定約束條件下的最優方案，然而事實是初始方案往往不能很好滿足力學環境要求，或者材料有很大質量余量，因此需要根據一定原則對初始方案進行改進優化設計[2-4]。傳統的優化方法，通常是依據設計者的經驗反復對結構進行修改，以最終滿足

設計要求，其優點是方向明確，設計中可綜合考慮制造、安裝等方面的要求，但缺點是無法獲得最佳結構尺寸。而利用計算機通過數值迭代，可以得到收斂最優解；但對于復雜結構往往存在計算量過大的問題，特別是對于拓撲優化更甚；同時存在制造安裝約束無法考慮周全、不宜實時調整的問題。

本文綜合利用人工和計算機交互的方式在結構優化設計中的優點，以有效處理復雜結構優化中遇到的問題。

1 人機交互優化方法

本文針對動力學響應約束下的航天器復雜結構，提出一種人機交互式優化設計方法，其工作流程見圖1。

圖1 人機交互式結構優化設計流程圖

首先建立結構的初始有限元模型，進行模態分析及頻率響應分析，并根據分析結果利用人機交互拓撲調整方法對結構進行拓撲改進設計[5]；再對拓撲改進的結構進行動力學分析以驗證拓撲改進的有效性；如此循環進行直至拓撲改進結構的力學特性滿足要求[6-7]。然后對拓撲調整后的結構選取可優化的結構尺寸，并利用計算機優化軟件通過數值迭代尋優獲得滿足動力學環境要求下質量最小的結構尺寸。最后對優化后的結構進行動力學響應分析與校驗。其中在設計各個階段均由設計者對優化后方案的滿意度進行判斷，如果不滿意，則返回重新進行循環優化。

本文以載人航天某裝置的設計與優化為例，驗證該方法的實用性和有效性。

2 載人航天某裝置優化設計分析

2.1 問題描述

正在研制的載人航天某裝置是由外部框架結構和內部諸多單機組成，其中外部框架為薄壁梁結構，而內部單機為功能性產品，不宜進行內部結構調整，因而優化設計的對象為外部框架以及部分單機的安裝位置。框架的建模采用二維面網格，單機采用六面體網格，裝置的初始有限元模型見圖2，圖中以圓圈標注的位置為關心節點，因為其附近的單機為一精密儀器，在振動試驗條件下的加速度響應不宜過大。

此裝置優化目標為結構總質量最小，約束條件為裝置剛度和強度滿足要求：剛度要求為裝置一階振動頻率盡量達到60Hz以上、正弦試驗條件下關心節點加速度響應不超過5倍輸入激勵；強度要求為裝置在正弦試驗條件下最大vonMises應力不超過材料屈服極限。正弦振動試驗載荷條件見表1。

圖2 載人航天某裝置有限元模型

表1 正弦振動試驗載荷條件

優化問題的數學模型可以表示為

其中：Mass表示框架總質量；Frequency表示裝置的一階振動頻率，0取60Hz；Acceleration表示正弦試驗條件下關心節點的加速度響應輸出值，在17～75Hz之間的取值為5倍的輸入激勵（6.86），即34.3；Stress表示正弦試驗條件下的模型vonMises應力，s為材料的屈服極限，2A12材料的s值為280MPa。

2.2 人機交互拓撲調整

利用初始方案的有限元模型進行模態分析及頻率響應分析，并根據分析結果對框架構造及部分單機安裝位置進行人機交互拓撲調整，調整后重新進行動力學分析以驗證優化效果[6-7]。圖3為人機交互拓撲調整前后的結構一階振動振型圖。

對調整前的初始模型（圖3(a)）進行分析發現，低階頻率下，懸掛在框架上的某單機振動過大，不能滿足動力學環境要求；調整單機與底板的連接方式，即改為支架與底板直接相連后（圖3(b)），響應分析表明關心單機的振動幅度明顯下降，但框架整體剛度較低，使結構一階振動頻率仍較低；繼而

在框架底梁與豎梁之間增加斜梁，并對部分單機底部支撐進行拓撲改進（圖3(c)），改進后的結構一階振動頻率有了一定幅度提高，但距離調整目標仍有一定差距，同時還存在頂板局部振動過大的問題；故拓撲調整斜梁變為直跨梁，并對局部剛度較弱處增加斜撐，得到最終的調整方案（圖3(d)）。表2為拓撲調整過程中4種結構的關心參數變化。