摘要: 借助 Altair 公司 solidThinking 系列軟件，利用拓撲優化技術，對薄壁結構 3 頭星 敏支架進行重新設計。通過這一星敏支架的拓撲優化設計，探索了此類產品的仿真分析及仿 生設計流程，并充分考慮了零件通過 3D 打印技術制造的可行性，實現了拓撲優化與 3D 打 印的有機結合，達到了零部件輕量化目標。

1 概述

恒星敏感器（下簡稱星敏感器）是衛星姿態控制系統的重要組成部分，它為整星系統提 供衛星姿態數據，可用于修正陀螺漂移，被稱為“衛星的眼睛”。星敏感器是當前廣泛應用 的天體敏感器，它以恒星為姿態測量的參考目標，可基于自身坐標輸出恒星的矢量方向，為 航天器的姿態控制和航行提供精確測量數據。在實際情況中，星敏感器通過敏感恒星輻射來 測定衛星相對于天球坐標系的三軸姿態，這一過程最少需要兩顆恒星數據作為測量保證。這 決定了星敏感器的數量及它們之間的空間位置關系。

目前大多星敏感器是通過支架與航天器進行連接的，這就要求星敏支架要在滿足剛度和 強度要求的前提下具備穩定性等，同時還要考慮到星敏等載荷的安裝及可制造性等因素。

本文涉及的 3 頭星敏感器支架是一個典型的由薄壁構成的復雜構型零件，最大外包絡尺 寸 375×376×472 mm，平均厚度在 4-5 mm，且各安裝面間軸向角度精度要求較高，傳統 制造方法是通過鑄造工藝實現，但成品率不高且加工周期長。

針對這一實際狀況，期望通過拓撲優化技術及金屬 3D 打印制造工藝的聯合應用，達到 減重并實現快速制造的目標。近年來，隨著 3D 打印技術的飛速發展，使得更復雜、更自由的設計能夠實現，相比于傳統機加工手段，3D 打印突破了對于一些傳統復雜結構的制造限制。

但目前市場上絕大多 CAD/CAE 軟件主要是面向傳統機加工工藝的，對于復雜形狀，特 別是非規則曲面建模往往力不從心，無法高效實現。

solidThinking 系列軟件是高度融合的建模仿真工具，融合自由曲面建模、實體建模及 多邊形建模，這為拓撲優化設計與 3D 打印之間構建了一座橋梁。

2 星敏支架的分析

原始設計模型雖然已經是成熟的產品，但減重作為航天器永恒的話題，我們還是希望能 夠有所突破。

通過對原始模型的仿真分析，粗略得到了零件整體在使用過程中的宏觀狀態。這為進一 步進行拓撲優化打下了基礎。

                                                     圖 1 原始模型部分仿真結果

從仿真結果可以看出，原零件的設計安全裕度較高，但產品的等強度設計并不理想，在 后續的拓撲優化中將著重于等強度設計，并利用 solidThinking Inspire 不斷進行等強度校核， 這也成為后續仿生設計的一個重要指導因素。

3 星敏支架的拓撲優化及仿生設計

3.1 solidThinking 系 列軟件介紹

solidThinking 系列軟件目前包括多個模塊，本文主要涉及 solidThinking Inspire， solidThinking Evolve。

solidThinking Inspire 是一款仿真優化軟件，其解算器為 OptiStruct，軟件不但操作簡單， 且將大量前處理工作隱式化，作為軟件底層的基礎功能，大大縮短了設計者的工作周期，提 高了效率。

solidThinking Evolve 是一款輔助設計軟件，其界面友好，易學易用，能夠利用 Nurbs 曲線和曲面的特征點實現快速建模，同時 solidThinking Evolve 軟件還具備很好的渲染功能。

3.2優化設計的思路

一千個人心中有一千個哈姆雷特，對于單一的零件來說，不同的人做出來的拓撲優化結 果大概率會存在差異，這就涉及到一個最優解的問題。拓撲優化的難點之一就是在特定空間范圍內找出最優的材料分布，其中涉及大量的計算，如今通過計算機及專業軟件的幫助能夠 得以實現。

但由于上述 3 頭星敏支架是薄壁結構，利用傳統思路直接在原始零件上增加并擴大設計 區域的方法實際是不適合的。因為設計空間與零件的重量存在一定的博弈。設計空間過大對 后續控制零件局部尺寸、整體重量將帶來困難，設計空間過小則可能得不到合適的優化結果。 所以我們給出的方法是先突破傳統機加工思想，在仿真分析的基礎上給出一個全新的設計， 以此為基礎進行優化。

這一全新的設計采用的是桁架結構，其中考慮了 3D 打印工藝性、設備安裝的空間干涉、 零件等強度設計及載荷分布等多方面因素。

                                                           圖 2 重構的拓撲優化原始模型

3.3具體操作過程

優化過程主要用到了 solidThinking 系列軟件，模型可以直接在 solidThinking Inspire 與 solidThinking Evolve 中進行切換，方便進行優化與設計的迭代。受到零件優化周期及計算 效率的限制，在仿真中去除了安裝孔及一些細節。在設計策略上采用了一種以仿真分析做參 照并利用不同仿真結果對比來驅動設計的方法，實際操作中模型通過 Nurbs 曲線的節點可 以方便的進行調整。下圖是部分仿真過程。

                                               圖 3 多次迭代的拓撲優化仿真過程

在經過了 5 次仿真分析與設計的迭代后得到初步的模型，而后再通過模態分析，對 局部進行調整，包括桿件的尺寸、形狀、連接形式等，最終定型零件是原零件重量的 50%， 考慮到極端條件的后續強化，減重也在 30%左右，減重效果明顯。下圖是經過拓撲優化 的零件模型與原始模型的對比圖。

                                                      圖 4 拓撲優化模型與原始模型的對比

3.4優化零件與傳統零件對比

利用光固化 3D 打印技術，打印了優化后模型與原始模型（1/2 縮比件），實際的承載 性能、等強度測試均令人滿意。

                                                   圖 5 光固化 3D 打印的拓撲優化模型及原始模型

4 分析與結論

通過 Altair 公司 solidThinking Inspire、solidThinking Evolve 軟件的聯合使用，可以實 現復雜零件的高效率拓撲優化及建模。充分體現了設計工藝一體化的思想，實現了從設計到 制造的閉環。

這一零件的優化，為以后的拓撲優化設計提供了有力的參考，同時也是一種全新設計模 式的嘗試。

5 參考文獻

[1] solidThinking Inspire User’s Manual  

[2] solidThinking Inspire 設計工程師基礎教程.pdf  

[3] solidThinking Inspire 設計工程師必修教程.pdf  

---

    【想獲得更多信息，請加技術鄰微信客服 jishulink888。也可以申請試用、免費測算、報名培訓、研發人員20人以上的企業可以申請免費上門內訓】