基于敏度分析的可展開桁架剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

王興澤 徐燕菱 林秋紅 李林 王春潔

(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

(2北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京 100191)

基于敏度分析的可展開桁架剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

王興澤1徐燕菱1林秋紅1李林1王春潔2

(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

(2北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京 100191)

可展開桁架是高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星SAR天線的關(guān)鍵部件,其在軌展開狀態(tài)的剛度指標(biāo)將直接影響到衛(wèi)星的成像品質(zhì),同時(shí),為盡可能減小對整星的影響,要求展開狀態(tài)的比剛度越大越好。文章針對桁架展開剛度優(yōu)化問題,提出了基于敏度分析的方法,通過對GF-3衛(wèi)星SAR天線中的鉸鏈剛度的敏度分析,得到了展開剛度優(yōu)化的最優(yōu)途徑。在此基礎(chǔ)上,利用該方法對多模塊桁架展開狀態(tài)剛度進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了桁架的高比剛度。

剛度;可展開桁架;鉸鏈;敏度分析

1 引言

SAR天線可展開桁架技術(shù)是大型SAR成像衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)之一,其展開后的剛度指標(biāo)對成像精度具有決定性的意義。可展開桁架構(gòu)型復(fù)雜、單翼轉(zhuǎn)動(dòng)副共28處,零部件數(shù)量較多。由于天線在軌為失重狀態(tài),與地面產(chǎn)品相比更關(guān)注結(jié)構(gòu)輕量化及展開剛度。同時(shí),為提高鉸鏈剛度就要付出增加質(zhì)量的代價(jià)。因此,需要合理分配各轉(zhuǎn)動(dòng)副處鉸鏈剛度指標(biāo)以實(shí)現(xiàn)高比剛度的設(shè)計(jì)目標(biāo),通過多參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)展開狀態(tài)下的高比剛度是設(shè)計(jì)過程中的重要問題[1-3]。

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星SAR天線是目前我國在軌飛行的最大的可展開平面天線陣,在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面國內(nèi)外沒有相關(guān)參考文獻(xiàn)可供借鑒。文獻(xiàn)[4]采用Isight方法對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得滿足結(jié)構(gòu)剛度和承載性能要求的最輕質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),并分析最優(yōu)化結(jié)構(gòu)在載荷作用下的結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)行為。文獻(xiàn)[5]通過Isight方法對機(jī)翼翼梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)．在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中以結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo),腹板MISES應(yīng)力、緣條軸向應(yīng)力和緣條BEAM單元應(yīng)力為約束,明顯地減少了翼梁的耗材,并且優(yōu)化結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。文獻(xiàn)[6]通過Isight方法建立了結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng),開展結(jié)構(gòu)分析和敏度分析,采用自主開發(fā)的基于二級(jí)多點(diǎn)逼近算法的程序模塊進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算。

本文通過Isight方法,進(jìn)行可展開桁架展開剛度敏度分析,運(yùn)用多種優(yōu)化算法探索得到優(yōu)化方案,大幅縮短了產(chǎn)品研制周期,降低了研發(fā)成本。

2 GF-3衛(wèi)星可展開桁架設(shè)計(jì)

1)可展開桁架介紹

展開狀態(tài)下的桁架構(gòu)型(平面簡圖)如圖1(a)所示。該構(gòu)型可以分解為3套連桿機(jī)構(gòu),包括一套由①②③桿和天線內(nèi)板共同構(gòu)成的五桿機(jī)構(gòu);一套由③④⑤桿和天線內(nèi)板共同構(gòu)成的四桿機(jī)構(gòu);一套由④⑤⑥⑦桿以及天線板內(nèi)板和天線板外板共同構(gòu)成的六桿機(jī)構(gòu)。通過對連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),可以到達(dá)如圖1(b)所示的收攏狀態(tài)構(gòu)型[7-8]。該機(jī)構(gòu)共有活動(dòng)鉸鏈環(huán)節(jié)10處,其中A(支撐桿根部鉸鏈)、B(支撐桿鉸鏈)、E(內(nèi)桁架鉸鏈)、H(外桁架鉸鏈)、I(板間鉸鏈)以及O(根部鉸鏈)為鎖定環(huán)節(jié)。本節(jié)主要圍繞上述6組鉸鏈開展敏度分析及展開剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)優(yōu)化思路

Isight作為一種優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,可實(shí)現(xiàn)與有限元分析軟件集成進(jìn)行迭代優(yōu)化。在分析文件中,建立參數(shù)化模型后,通過算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的迭代計(jì)算,最終完成整個(gè)優(yōu)化流程[4,9],如圖2所示。

利用Isight方法設(shè)計(jì)的展開剛度優(yōu)化流程如圖3所示。通過優(yōu)化組件設(shè)置展開剛度優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量、約束變量和目標(biāo)函數(shù),獲得影響展開剛度的敏度分析結(jié)果,進(jìn)而得到展開剛度最優(yōu)的參數(shù)配置。

3)鉸鏈剛度敏度分析

通過Isight方法集成Patran、Nastran軟件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化流程自動(dòng)化,以整體基頻為輸出函數(shù),通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對鉸鏈剛度進(jìn)行敏度分析。將6組鉸鏈的剛度值按照已有產(chǎn)品實(shí)測剛度進(jìn)行初值賦值,經(jīng)對初始狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析,展開基頻為2．13 Hz。在敏度分析過程中,各鉸鏈六個(gè)自由度的剛度允許變動(dòng)范圍均為初始值的90%～110%,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采用參數(shù)研究法,得到對展開剛度影響較大的基頻參數(shù)值,如表1所示。

圖1 可展開桁架構(gòu)型Fig.1 Configuration of deployable truss

敏度分析結(jié)果顯示,鉸鏈彎曲剛度對桁架展開剛度影響不明顯,在后續(xù)優(yōu)化過程中對彎曲剛度進(jìn)行了下調(diào)。根部鉸鏈拉壓剛度及彎曲剛度值對展開剛度貢獻(xiàn)不大,因此,在后續(xù)設(shè)計(jì)中將根部鉸鏈采用無鎖鉤設(shè)計(jì),減輕質(zhì)量的同時(shí)提高了展開可靠性。優(yōu)化過程中桁架展開狀態(tài)下的展開基頻變化過程見圖4,優(yōu)化后的基頻為2．51 Hz,比初始的基頻提高了18%。

圖2 Isight方法集成的Patran、Nastran軟件流程Fig.2 Integration flow chart of Patran、Nastran on Isight platform

圖3 展開剛度優(yōu)化流程Fig.3 Integration flow chart of stiffness optimization

表1 對展開基頻影響顯著的鉸鏈剛度參數(shù)Table 1 Stiffness parameters with significant influence on fundamental frequency

圖4 優(yōu)化過程中桁架展開狀態(tài)下的基頻變化過程Fig.4 Change of fundamental frequency in optimization process

3 多模塊可展開桁架展開剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

1)多模塊可展開桁架介紹

隨著我國高分辨率對地遙感衛(wèi)星成像精度及成像質(zhì)量的提升,對上百平米的SAR天線需求越來越迫切,因此,通過模塊化展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大陣面天線在軌展開成為關(guān)鍵技術(shù)之一。針對新一代大型SAR展開天線,通過對鉸鏈剛度及桿件直徑、壁厚等參數(shù)的敏度分析進(jìn)行展開剛度優(yōu)化分析研究。單翼展開尺寸約為2 m×30 m,由相鄰2塊天線面板形成一個(gè)展開模塊,共3個(gè)模塊組成,模塊間通過聯(lián)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)及展開剛度維持(圖5)。

圖5 多模塊可展開桁架Fig.5 Modular deployable truss

展開運(yùn)動(dòng)可簡化為一個(gè)平面運(yùn)動(dòng),故對可展開天線投影到x-y平面后的構(gòu)型進(jìn)行研究,如圖6所示。圖中,a1～a8表示桁架接頭鉸鏈,b1～b4表示板間鉸鏈,c1～c4表示桁架鉸鏈,d1～d6表示支撐桿鉸鏈及同步接頭,f1～f9表示模塊間剪式機(jī)構(gòu)鉸鏈,①～○42表示桁架桿件。

圖6 多模塊可展開桁架構(gòu)型Fig.6 Configuration of modular deployable truss

2)鉸鏈剛度敏度分析

通過Isight方法集成Patran、Nastran軟件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化流程自動(dòng)化,以整體基頻為輸出函數(shù),通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對鉸鏈剛度進(jìn)行敏度分析。各鉸鏈六個(gè)自由度的剛度允許變動(dòng)范圍均為設(shè)計(jì)初始值的90%～110%,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用參數(shù)研究法,由此獲得了9個(gè)剛度參數(shù)作為影響基頻較大的關(guān)鍵參數(shù),見表2。

表2 對基頻影響顯著的剛度參數(shù)Table 2 Stiffness parameters with significant influence on fundamental frequency

3)桿件截面參數(shù)敏度分析

將桿件按照截面積大小分為6類,由于同類桿件的截面可由外徑和壁厚兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行確定,因此共考核12個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。通過Isight方法集成Patran、Nastran軟件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化流程自動(dòng)化,以整體基頻為輸出函數(shù),通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對截面參數(shù)進(jìn)行敏度分析。各截面參數(shù)數(shù)值允許變動(dòng)范圍均為設(shè)計(jì)初始值的90%～110%,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采用參數(shù)研究法,得到6個(gè)參數(shù)作為剛度優(yōu)化的重要參數(shù),如表3所示。表中標(biāo)注反效應(yīng),即其值變小展開機(jī)構(gòu)基頻變大,有利于減重優(yōu)化。

表3 對基頻影響顯著的截面參數(shù)Table 3 Section parameter of rod with significant influenceon fundamental frequency

4)可展開支撐桁架展開剛度優(yōu)化

通過對鉸鏈剛度及桿件截面參數(shù)的敏度分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,得到了優(yōu)化構(gòu)型并在該構(gòu)型下,優(yōu)化參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行了展開剛度迭代優(yōu)化,計(jì)算結(jié)果顯示,基頻為0．656 Hz,機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量約為136 kg。相較初始賦值狀態(tài)(基頻0．465 Hz,機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量152．8 kg),頻率提高41%,質(zhì)量下降11%,達(dá)到了剛度優(yōu)化并減重的目的。

4 結(jié)束語

為滿足在有限的結(jié)構(gòu)質(zhì)量條件下,提高SAR天線可展開桁架展開剛度的需求,本文通過Isight方法集成Patran、Nastran等分析軟件,以質(zhì)量為約束條件,以桿件截面面積、鉸鏈各向剛度為設(shè)計(jì)變量,進(jìn)行了針對桿件截面積、鉸鏈剛度的敏度分析,最終實(shí)現(xiàn)了可展開桁架展開剛度的優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明,敏度分析結(jié)果大幅度地提高了鉸鏈及桿件相關(guān)參數(shù)對展開剛度的貢獻(xiàn)。GF-3衛(wèi)星SAR天線通過優(yōu)化設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)展開剛度指標(biāo)18%的增長。同時(shí),模塊化可展開桁架通過優(yōu)化設(shè)計(jì),與初始賦值模型相比,在質(zhì)量下降的情況下,剛度提高了41%。此方法可為后續(xù)模塊化SAR天線方案設(shè)計(jì)提供有力支撐,并顯著提高設(shè)計(jì)效率。

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Optimization Design of Deployable Truss Stiffness Based on Sensitivity Analysis

WANG Xingze1XU Yanling1LIN Qiuhong1LI Lin1WANG Chunjie2
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(2 School of Mechanical Engineering&Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)

Deployable truss is the key component of SAR satellite mission,and its performance directly affects the imaging quality of the satellite．At the same time,in order to reduce the influence of deploying on the satellite,the specific stiffness of the deployable truss should be as large as possible．The deployable truss stiffness optimization method is proposed based on the sensitivity analysis of the GF-3 SAR antenna hinge stiffness to deployable truss stiffness optimization．On this basis,using this method multi module deployable truss expanded state stiffness is optimized．

stiffness;deployable truss;hinge;sensitivity analysis

V414

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.012

2017-10-25;

2017-11-29

國家重大科技專項(xiàng)工程

王興澤,男,碩士,工程師,研究方向?yàn)榭臻g可展開機(jī)構(gòu)。Email:wangxingze_cast＠163．com。

(編輯:張小琳)