WorksOptiStruct的辐射制冷支撑结构拓扑优化设计图文Word下载.docx
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空间辐射制冷是利用宇宙空间自然的高真空、深低温和黑热沉等有利条件,通过辐射传热原理,使制冷器不断向空间辐射热量,同时尽可能多地屏蔽外部热流,以达到被动制冷的目的…。
辐射制冷器具有以下突出优点:
寿命长,可适应空间飞行任务的时间要求;
无功耗,省去卫星的有限能源供给;
无运动部件,具有较高的可靠性和稳定性;
无机械振动和电磁f扰,对探测器件的工作性能没有影响。
空间辐射制冷技术自1966年美国“雨云1号”(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,至今已有30多年历史,已被广泛应用于地球资源、气象、海洋等多种对地观测和行星观测、天文观测卫星【2J。
辐射制冷技术在当前迅速发展的空间红外探测器用制冷技术中仍占有一席之地,仍然是空间应用最主要的制冷技术之一,并具有广泛的发展前景。
辐射制冷器在空间相机中所占的体积和质量比重都较大,而且往往带有悬臂结构,因此辐射制
2010年1月8日收到
第一作者简介:
邢立坤(1984一),男,黑龙江人,硕士生,研究方向:
空间结构的力学分析和优化。
E—mail:
ak0398@印lail.corn。
冷器支撑结构的设计是总体结构设计中的关键。
拓扑优化技术在概念设计阶段能够激发设计人员的灵感,有效实现结构最佳功能和最小成本的结合,因此成为结构优化设计领域的热点pJ。
Altair公司的HyperWorks/OptiStruct软件是全球最先进的结构优化设计软件之一。
本文基于Hy—perWorks/OptiStruct平台,结合具体的设计要求,对某空间相机辐射制冷器支撑结构进行了优化设计,并提出了加强方案。
1辐射制冷器支撑设计
1.1辐射制冷器支撑设计要求
辐射制冷器支撑的作用是连接辐射制冷器与空间相机基板,结合空间相机整体质量分配与接口设计要求,辐射制冷器支撑设计的具体目标如下:
质量小于20kg(选用铝材料),结构一阶频率大于80Hz,中心孔对底部安装面的频响放大倍数小于4。
此外还需满足中心孔对底面高度为465lliln等基本接口条件。
1.2拓扑优化基本原理
优化设计的数学模型可表述为”J:
最小化八x)=以戈。
,菇2,…,名。
)
万方数据
科学技术与工程10卷
约束条件gi(x)≤0√=1,…,m
hI(J)|f)=0,k=1,…,m^
髫;
≤髫i≤xy,i=1,…,,l。
式中,X=菇。
,戈:
,…,省。
是设计变量;
八X)是目标函数;
g(x)是不等式约束函数;
h(x)是等式约束函数;
上角标L是指下限,上角标(,是指上限。
在OptiStruct中,目标函数/(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初步优化建模
首先在3D建模软件中完成辐射制冷器支撑的三维初步建模,使其满足必要的接口条件,然后导入HyperWorks。
图1辐射制冷器支撑拓扑优化模型图
在HyperWorks中的模型如图1所示,其中:
蓝色法兰部分为非设计区域,红色底部支撑部分为设计区域。
辐射制冷器在模型中用重心处的集中质量点表示,采用rbe3与法兰圈连接。
模型材料为铝,结构总质量为34.8kg,悬臂结构所加集中质量为24kg,采用六面体的方式划分为30337个单元。
模型采用底部加全自由度约束的方法进行约束,拓扑优化的设计变量为模态和体积分数,优化目标为体积分数最小,优化约束为一阶频率不小于80Hz。
1.4优化结果分析
通过OptiStruct模块对前述模型进行拓扑优化计算,经过80步的迭代,得到的优化结果如图2所示。
图2经过80步迭代后的优化结果图
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轻量化设计与模态分析
根据拓扑优化与探索实验的结果,对辐射制冷器支撑结构进行轻量化设计,轻量化后的结构有限元模型如图3所示。
轻量化后的模型总质量为14.5kg,材料仍为铝,采用四面体的方式划分为22895个单元。
法兰与支架的连接螺钉采用bar单元进行模拟,两端采用rbe3的方式模拟连接。
采用在底部安装孔周围加全约束的方式进行约束。
对此辐射制冷器支撑结构进行模态分析,系统前三阶频率分别为:
70.5Hz、77.9Hz和121.1Hz。
系统的一阶振型如图4所示,一阶振型下的变万方数据
1
1期
邢立坤,等:
基于HyperWorks/OptiStruct的辐射制冷支撑结构拓扑优化设计
图3轻量化后的结构模态分析模型图
形集中在顶部,运动形式为绕戈轴的弯曲。
对改进后的结构进行模态分析,系统前三阶频率分别为:
95.2Hz、152.6
Hz和312.1Hz,满足设计
要求。
对辐射制冷器支撑结构进行频响分析,在约束
点分别输入X、l,、Z方向(5一100)Hz的加速度激
励,以法兰盘中心靠近支架的节点作为频响输出节点,得到的频响分析结果如下图所示(结果图中蓝色实线为X方向频响输出,红色虚线为y方向频响输出,绿色点划线为Z-方向频响输出)。
图5一A盖方向激励下结构频响结果图
图5一BY方向激励下结构频响结果图
图4结构一髟r振型幽
由模态分析结果可知,此辐射制冷器支撑结构
设计与设计目标存在一定差距,需要进行改进设计。
1.6
改进设计与频响分析
根据模态分析结果,需要对辐射制冷器支撑结
图5-C
z方向激励下结构频响结果图
构顶部进行加强,由于结构本身的设计空间有限,故采用在结构顶部增加与周围部件安装接口的形由上述频响分析结果可知,系统在95Hz处出式进行加强。
此种加强方式在有限元模型中通过
现共振峰,三个方向的放大倍数分别为:
1・2倍、3・7在结构顶部(图3所示的①和②区域)增加约束点
倍和l-7倍,满足设计要求。
的方式来体现。
2结论
尽管拓扑优化设计理论在产品设计中的应用并不成熟,但仍可以为设计工作提供定性的理论指导,再通过进一步的静态分析、模态分析、频响分析等手段来满足设计要求。
本文基于HyperWorks/OptiStruct平台,首先按照拓扑优化方法提供的寻优方向进行初步的轻量化设计,然后通过模态分析结果寻找结构的薄弱环节并进行改进设计,进而分别采用模态分析和频响分析的方法对设计结果进行校核,最终实现了辐射制冷器支撑结构从概念设计到最终设计的整个过程。
通过拓扑优化结构的质量大幅降低(从最初的34.8kg降到14.5kg),通过优化设计得到的结构基频为95Hz,中心孔对安装底面的频响放大倍数最大值为3.7,满足设计要求。
参考文献
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6:
47—48
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机械工业出版社,2007
StructureTopologyOptimizationDesignofRadiation
CoolingSupportStructureBasedonHyperWorks/OptiStruct
XINGLi—kun,SUNLi—wei
(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScience,Shanghai200083,P.RChina)
[Abstract]Theradiantcoolerisapassivecoolersystemgainingcoolingpowerbyradiatingheatintospaceenvi・ronment.Benefitedbyitslongoperationallife,nopowerandnon—interferencecharacteristics,itiswidelyappliedintheInfraredDetectionSystem.Thesupportingstructureofradiantcooleristhekeyintheoveralldesign.Asup-portingstructuredesignisbasedonHyperWorks/OptiStructplatform
andintegratedtopologyoptimizationtechnolo-gy.Thisdesignprovidesastructuralfundamentalfrequencyof95Hz.Thecenteroftheradiantcoolerintroducesa
maximum3.7timesfrequencyrespondentmagnificationtotheinstalledunderside.The
systemrequirement
issatis・
fled.
[Keywords]radiantcoolertopologyoptimizationstructuredesignfiniteelementanalysis万方数据
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