行業(yè):航空航天 

    挑戰(zhàn):如何實現(xiàn)輕量化設計并保證優(yōu)化設計結果的工藝性及美觀性。

    Altair 解決方案:運用Altair Inspire進行拓撲優(yōu)化設計，得到輕量化的設計結果；并利用 PolyNURBS 模塊進行建模，得到可以直接 3D 打印制造的設計模型。

    優(yōu)點:提升設計效率，節(jié)約大量時間；設計模型與制造流程銜接更流暢；輕量化設計，降低發(fā)射費用成本。

    背景介紹 

    一直以來，人類看到的都是月球的同一面，使我們對月球背面的場景充滿了好奇。因此，探測月球“背面”成為航天事業(yè)中的一個熱點和難點問題。令人欣喜的是，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司參與研制的中國嫦娥四號中繼衛(wèi)星在今年成功發(fā)射，這將有助于人類進一步揭開月球背面的神秘面紗。

    本次發(fā)射的嫦娥四號中繼衛(wèi)星工作軌道位于深空高軌，且還有兩個微小衛(wèi)星搭載發(fā)射，動量輪支架屬于該衛(wèi)星上重量較重的組件之一，為了實現(xiàn)減重，特對斜裝動量輪支架展開輕量化設計。

    通過應用 Altair 公司的 Altair Inspire 對衛(wèi)星斜裝動量輪支架進行優(yōu)化及改進設計，將設計思路由原來的“先設計產(chǎn)品結構再校核產(chǎn)品性能”轉變?yōu)椤跋却_定產(chǎn)品性能，再通過拓撲優(yōu)化手段得出產(chǎn)品最終結構”，為衛(wèi)星斜裝動量輪支架的結構方案選型提供了依據(jù)。

    挑戰(zhàn)

    首先，在運載發(fā)射能力受限的情況下，嫦娥四號中繼衛(wèi)星的重量指標異常嚴格，因此亟需開展輕量化產(chǎn)品設計。對重量較重的斜裝動量輪支架的優(yōu)化設計，意味著進一步提升了衛(wèi)星載荷的可用重量，降低衛(wèi)星發(fā)射的成本。

    其次，在嫦娥四號中繼衛(wèi)星上，動量輪是非常重要的姿控執(zhí)行部件，其安裝精度直接影響衛(wèi)星姿控。作為支撐動量輪的斜裝動量輪支架，傳統(tǒng)設計制造的方式是由鋁合金棒料機械加工而成的整體式薄壁零件，該結構形式的支架減重設計是在側壁上開形狀規(guī)則的減重孔及減小壁厚，存在壁厚太薄及減重孔太多時，支架加工過程容易發(fā)生變形，最終成形精度難以保證的問題。

    如何實現(xiàn)斜裝動量輪支架減重的同時，仍滿足其機械接口、安裝約束、剛度、強度等各項指標，甚至兼顧來自拓撲優(yōu)化設計結果的工藝性及美觀性？這些都是擺在衛(wèi)星斜裝動量輪支架設計工程師們面前的種種挑戰(zhàn)。

 

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“通過 Altair Inspire 優(yōu)化設計的衛(wèi)星斜裝動量輪支架，在加工完成后，安裝動量輪后在衛(wèi)星上安裝。同時，

按照衛(wèi)星產(chǎn)品的研制規(guī)范，接受了上星驗證、力學驗證、飛行驗證等各項航天級環(huán)境試驗，并隨嫦娥四號中繼

衛(wèi)星成功飛行。目前該衛(wèi)星已經(jīng)成功入軌，狀態(tài)良好，開始執(zhí)行既定任務。”

                                                                                                                      劉質(zhì)加部長

                                                                                                                      機熱工程部

                                                                                                                      航天東方紅衛(wèi)星有限公司 

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    解決方案

    運用 Altair Inspire 進行拓撲優(yōu)化設計

    眾所周知，拓撲優(yōu)化設計的基本思想是將尋求結構的最優(yōu)拓撲問題，轉化為在給定的設計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題，其目的是尋找承受單載荷或多載荷的物體最佳材料分配方案。市面上也有眾多成熟的商業(yè)軟件可供設計師們選擇，Altair Inspire 因采用了 Altair 先進的 OptiStruct 優(yōu)化求解器，同時界面友好易用，而備受設計工程師的青睞。本次衛(wèi)星斜裝動量輪支架設計也選擇了采用 Altair Inspire 這一設計工具。

                                                                        衛(wèi)星斜裝動量輪支架的拓撲優(yōu)化設計流程

    利用 Altair Inspire，設計工程師首先對衛(wèi)星斜裝動量輪支架優(yōu)化前三維模型進行了前處理，此環(huán)節(jié)主要考慮的要素有：動量輪本體有 4 個安裝螺釘；安裝法蘭在腰部，背后突出進入支架內(nèi)部；支架下端通過 7 個螺釘與衛(wèi)星連接；姿控要求安裝角度為 45°。

                                                                      衛(wèi)星斜裝動量輪支架優(yōu)化前三維模型

    在確認完衛(wèi)星斜裝動量輪支架的機械接口、安裝空間、安裝要求等要素后，進入了對拓撲優(yōu)化基礎模型的處理環(huán)節(jié)，這部分需要確認動量輪支架的設計空間、非設計空間、施加載荷及約束。例如設計空間為支架本體，需要預留回轉部分開口，以及安裝螺釘?shù)牟僮骺臻g；非設計空間需要考慮為動量輪安裝法蘭提供安裝面及 4 個螺釘孔。同時，由于支架下端是通過 7 個螺釘為衛(wèi)星連接，所以按照固定支架處理。載荷加載在動量輪上，約束為 7 個螺釘孔，材料是鋁。

                                                                         衛(wèi)星斜裝動量輪支架拓撲優(yōu)化基礎模型

     拓撲優(yōu)化是衛(wèi)星斜裝動量輪支架優(yōu)化設計流程中的關鍵環(huán)節(jié)，主要目的在于確定優(yōu)化目標，并進行運算。衛(wèi)星斜裝動量輪支架的拓撲優(yōu)化是一次輕量化的設計，因此選擇保證一定剛度下的最小質(zhì)量模式為優(yōu)化目標，優(yōu)化的最小剛度為 250HZ，加載載荷為 7 個連接點的固定支架，在設置完成最小厚度壁厚就可以進行運算分析了。

     最后，根據(jù)輸出優(yōu)化目標滿足設定要求的數(shù)據(jù)，并調(diào)整拓撲材料分布滑塊，選擇連續(xù)實體形式，確定衛(wèi)星斜裝動量輪支架優(yōu)化設計結果。至此，通過以上步驟，設計工程師們利用 Altair Inspire 得到了在綜合考量重量情況下的衛(wèi)星斜裝動量輪支架的優(yōu)化傳力路徑及連接狀態(tài)。

                                                                         衛(wèi)星斜裝動量輪支架拓撲優(yōu)化 

                                                                         衛(wèi)星斜裝動量輪支架拓撲優(yōu)化輸出結果

    Altair Inspire 自帶 PolyNURBS 功能，增材制造實現(xiàn)更容易

    通過拓撲優(yōu)化設計的零部件，傳統(tǒng)的制造工藝往往加工困難甚至無法制造，而增材制造（即 3D 打印）是一種先進的制造技術，通過采用層層堆積材料的方法來制造零件結構。相對于傳統(tǒng)的材料切削去除技術，增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)幾何高度復雜的結構快速“生長”成型，有相對較少的制造約束。尤其增材制造具有流程短、適合復雜結構等特點，給材料和結構設計者提供了豐富的想象空間，使傳統(tǒng)制造技術難于實現(xiàn)的結構變得易于實現(xiàn)，本次衛(wèi)星斜裝動量輪支架優(yōu)化設計的制造方式就選用了增材制造技術。

     但傳統(tǒng)的 CAD 軟件在設計與優(yōu)化產(chǎn)品時，通常是直上直下或是直接用布爾運算進行幾何實體操作，或是簡單的放樣，而當遇到形狀過于復雜的零部件時，存在很難將結果直接轉為 CAD 的挑戰(zhàn)。Altair Inspire 對此有相應的解決辦法，采用 Parasolid 的多邊形建模——PolyNURBS，是用多邊形建模的方式解決工程問題，可以直接導入到其他的任何相關軟件進行制造流程的對接。

     在衛(wèi)星斜裝動量輪支架建模中，設計工程師就應用了 Altair Inspire 中的 PolyNURBS 模塊中的包覆、橋接、分割、布爾運算等功能，對拓撲優(yōu)化設計結果進行重構。從衛(wèi)星斜裝動量輪支架建模時的力學分析結果可知，基頻滿足剛度要求；校驗材料為 AlSi10Mg（3D 打印常用）；應力小于屈服強度，裕度大于 1，強度設計滿足要求。

                                                                         衛(wèi)星斜裝動量輪支架建模時的力學分析

此外，還對衛(wèi)星斜裝動量輪支架進行了光順處理，實現(xiàn)了對拓撲優(yōu)化設計結果工藝性及美觀性的兼顧，得到了可以直接 3D 打印制造的設計模型。最后，衛(wèi)星斜裝動量輪支架選擇航天 529 廠提供的 AlSi10Mg 鋁合金選區(qū)激光融化成型工藝（SLM）進行加工，支架減重 50%。

                                                                         衛(wèi)星斜裝動量輪支架 3D 打印設計模型及打印成品

最終，通過 Altair Inspire 優(yōu)化設計的衛(wèi)星斜裝動量輪支架，在加工完成后，安裝動量輪后在衛(wèi)星上安裝。同時，按照衛(wèi)星產(chǎn)品的研制規(guī)范，接受了上星驗證、力學驗證、飛行驗證等各項航天級環(huán)境試驗，并隨嫦娥四號中繼衛(wèi)星成功飛行。后續(xù)嫦娥四號中繼星將通過 12 次軌道控制飛往地月 L2 平動點 Halo 軌道。目前該衛(wèi)星已經(jīng)成功入軌，狀態(tài)良好，開始執(zhí)行既定任務。

                                                                         衛(wèi)星斜裝動量輪支架在嫦娥四號中繼星上裝配示意圖

    結論 

    回顧衛(wèi)星斜裝動量輪支架的優(yōu)化設計，可以發(fā)現(xiàn)設計工程師們采用了拓撲優(yōu)化設計與增材制造加工相結合的方式，借助于 Altair Inspire，首先設計出支架的合理傳力路徑，并對拓撲優(yōu)化設計后的支架進行建模。在得到可以 3D 打印的設計模型后，采用激光融化成型工藝（SLM）進行加工。

    Altair Inspire 在本項目中發(fā)揮了關鍵作用，具體表現(xiàn)為：

    1、相比原始設計，利用 Altair Inspire 快速得到了最優(yōu)傳力路徑，簡化了設計流程，節(jié)約了時間成本；

    2、 基于 Parasolid 的多邊形建模——PolyNURBS， 有效解決傳統(tǒng)方式難以將結果直接轉為 CAD 模型的工程困擾，讓設計模型可以直接導入到其他任何相關軟件，進行制造流程的對接。

    3、由 Altair Inspire 優(yōu)化設計的衛(wèi)星斜裝動量輪支架，其產(chǎn)品強度和精度滿足衛(wèi)星產(chǎn)品研制的各項標準，并且減重效果明顯，成功實現(xiàn)減重 50%，節(jié)省了衛(wèi)星發(fā)射成本。

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