射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划()作者简介:杨立博()男硕士高级工程师研究领域为等离子体应用总体设计 第 卷第 期 年 月火 箭 推 进 射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化杨立博石 波鲁海峰李济源谭 畅(西安航天动力研究所陕西 西安)摘要 针对射频离子推力器的壳体结构轻量化要求研究了点阵材料拓扑优化设计思路和方法首先通过静力学仿真和动力学仿真对原结构进行了分析获得了结构改进基础其次应用结构拓扑优化方法获得了结构的传力路径再次结合传力路径和壳体结构的安装使用要求获得了最佳的点阵材料优化设计域最后通过点阵材料优化设计获得了最佳的点阵拓扑优化结构方案与原结构进行对比优化方案质量减小 动力学方面结构模态整体提升较好避开了推力器工作时的振动频率范围受载条件下结构最大应力降低达 应力分布更加均匀结构变形也相应减小结构刚度有所提升 优化后结构的轻量化和性能改善验证了设计方法的有效性关键词 射频离子推力器壳体轻量化点阵材料拓扑优化中图分类号 文献标识码 文章编号()()引言电推进具有高比冲、长寿命、小推力及长时间连续工作的优势可显著提升航天器的有效载荷质量比国内外航天发展都对电推进提出了大量需求 射频离子推力器作为一种电推进发动机主要由壳体、射频天线、放电室、屏栅、加速栅、气体分配器等构成结构原理图见图 其中壳体是推力器中质量占比最大的零件之一轻量化对降低发射成本、提高星上有效载重具有重大意义图 射频离子推力器结构原理图.某型射频离子推力器壳体具有以下功能:壳体是射频离子推力器安装的基础推力器的主要零件都是依靠壳体支撑固定在承受静载荷时壳体的刚度和强度应满足连接需要壳体整个服役周期内需承受振动冲击等动载荷壳体结构的刚度和强度满足设计要求壳体有屏蔽外部电磁辐射的功能 该射频离子推力器的推力为毫牛级工作过程中承受的极限载荷是卫星发射时运载火箭产生的加速度载荷和振动冲击动载荷因此推力器壳体的结构设计以提高结构刚度为主要目标通过结构优化调整结构的自然频率来减轻与振动源的动力耦合降低结构在动态载荷下的应力拓扑优化作为常见的轻量化设计方法的一种其可获得结构设计域内的最佳传力路径通过对所得路径上材料的保留或削减进行设计实现材料的优化分配 拓扑优化形成的结构一般为框架结构无法满足电磁屏蔽对结构连续性的要求 因此可以在拓扑优化的基础上开展点阵材料结构优化实现射频离子推力器的轻量化点阵材料作为一种桁架单胞结构周期排布的功能材料具有优异的比强度、比刚度、流体渗透性、传热性和减振吸能性等多种连续材料所不具备的特性并且电磁波在点阵材料的孔隙界面处能够发生反射和散射 可以达到良好的电磁屏蔽效果 随着增材制造技术的发展成熟点阵材料与拓扑优化相结合的优化方法得以实现应用目前已在汽车吸能结构、建筑隔热、航天航空轻量化以及生物医疗领域有成熟应用案例对于点阵材料拓扑优化方法的研究国内外开展了理论研究 等提出了采用外回路和内回路方法的拓扑优化方法外回路优化材料宏观设计内回路采用均匀化法对点阵单元进行拓扑优化 廖中源等为实现变密度点阵结构体的优化设计提出了一种基于均匀化方法的多尺度拓扑优化方法 等将渐进均匀化方法用于点阵材料多尺度等几何拓扑优化证明了单胞拓扑结构在点阵结构最优分布密度中的作用 冯佳宾开展了变密度法在连续体与点阵材料拓扑优化中的应用研究提出了在宏观和微观量尺度上使用变密度法优化的点阵材料多尺度优化方法本文参考上述点阵拓扑优化方法思想针对某型射频离子推力器壳体基于变密度法开展最大刚度目标下点阵拓扑轻量化设计 首先获得原结构的力学性能指标作为设计基础然后对结构进行最大刚度拓扑优化获得最优点阵材料设计域最后进行点阵材料的优化填充获得点阵材料拓扑优化结果 射频推力器壳体原结构分析 射频推力器壳体原结构某射频离子推力器总体结构见图()推力器内部设备连接固定于推力器壳体上其中 向位于推力器圆柱壳体的轴向方向 向、向位于推力器圆柱壳体的径向方向 因机加工工艺限制推力器壳体采用了框梁式薄壁加筋结构分割透视图见图()火 箭 推 进 年 月 图 射频离子推力器壳体.载荷分析在射频离子推力器随火箭发射阶段需承受较大的加速度和振动载荷具体见表 和表 最大加速度载荷为 向 随机振动频率分布在 范围内因此本文后续动力学分析主要分析 以内的模态表 加速度载荷 方向加速度/、方向加速度/保持时间/加载速率/()表 随机振动条件 频率范围/功率谱密度 /总均方根值 结构承载能力分析及试验验证情况将壳体内与壳体相连的各零部件简化定义为集中质量点布置在实际结构的质心位置并赋予质量惯量特性通过静力学仿真和动力学仿真可以获得推力器壳体在加速度载荷和随机振动条件下的响应特性 推力器壳体在加速度载荷下的应力分布和变形情况见表 和图 推力器壳体 以内的模态计算结果见表 对应模态振型变化趋势见图 表 推力器壳体加速度载荷响应结果 加速度方向加速度量级/结构最大应力/结构最大变形/向 向 向 图 推力器壳体在加速度载荷下的应力和位移云图.第 卷 第 期 杨立博等:射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化 表 推力器壳体模态分析结果 阶数固有频率/通过仿真结果分析可得出如下结果)加速度载荷下结构最大应力为 远小于材料的许用强度)加速度载荷下结构最大变形 远小于结构的最大变形要求图 推力器壳体模态振型.)结构的动力学性能前 阶模态均处于 以内或附近低阶模态有待提升射频离子推力器产品结构原方案通过加速度载荷试验和振动试验加载试验过程中结构无明显变形试后结构完好说明原结构受载时应力较小试验获得模态数据与仿真模态数据偏差在以内验证了仿真的准确性 因此可以将推力器原结构通过仿真分析方法获得的性能数据作为设计基准进行优化设计综上原结构很多区域强度和刚度余量过大但动力学性能有待提升可进一步开展结构轻量化设计提升材料利用率 因原结构采用机加工艺受零件整体尺寸和安装要求限制结构上可尺寸优化空间少且采用电火花加工导致产品的制造周期长和成本高 因此采用基于 打印增材制造的点阵材料拓扑优化技术可以针对上述问题提供更优的解决方案 点阵拓扑优化技术 优化数学模型本文拓扑优化和点阵填充优化均采用最小柔度变密度算法:以结构的最小柔度(反比于结构的刚度)为目标以限定材料体积约束、结构在载荷下的变形和结构的频率为约束下寻找材料在设计域内的最佳拓扑构型具体可表述为 ()().()火 箭 推 进 年 月 式中:、均为单元的相对密度取值范围()为单元的数量 为结构柔度 为总体位移矩阵 为总体受力矩阵 为总体刚度矩阵 为惩罚系数 为单元位移 为单元刚度矩阵 为结构第 阶模态的频率 为结构第 阶模态频率的下限 为频率约束的数量 为最大位移约束为单元体积 为结构体积约束上限 为最小相对密度(避免结构不连续)拓扑点阵胞元结构选型在点阵拓扑优化设计中常采用的三维点阵胞元结构有面心立方、体心立方、八面体结构、金刚石结构、四面体型、三维 结构等 对于点阵胞元结构的力学性能研究可采用理论分析法、数值仿真法和实验法 理论分析法一般通过均匀化方法获得点阵结构的等效力学性能 数值仿真法是通过有限元建模仿真分析得到点阵胞元结构的等效弹性模量、等效剪切模量等力学性能 实验法对 打印的点阵承力部件采用准静态单向力学实验来获得点阵结构的静力学性能 经过研究对比金字塔型和四面体型点阵胞元结构材料密度低、抗压强度高、抗冲击防护能力强、缓冲吸能特性好因此采用此种点阵胞元结构进行点阵优化设计 点阵填充设计技术在进行点阵填充设计时为实现点阵晶格的随型高效填充设计充分考虑以下核心要点)点阵胞元结构晶格设计构建结构参数与力学性能的数学及几何模型)设计域内的网格框架划分尤其是复杂的贴合曲面曲率的随型框架生成)镂空结构体填充尤其是实体与点阵结构过渡和局部镂空结构的拓扑优化设计 点阵拓扑优化设计流程参考文献点阵拓扑优化设计主要工作为:通过拓扑优化设计确定点阵填充空间开展点阵填充优化设计 设计流程图见图 在设计过程中需要关注的要点如下)同等质量的点阵结构与固体结构对比点阵结构刚性更大但承载能力相对削弱 因此在第一轮拓扑优化确定点阵填充空间的过程中应力约束需要适当放宽)在点阵优化设计过程中点阵的尺寸参数(点阵单元尺度、杆的直径等)和点阵填充率为设计变量需要按照 增材制造点阵工艺要求和性能约束要求开展多轮参数优化迭代图 点阵优化设计流程图.射频推力器壳体结构优化 结构拓扑优化设计以全壳体为设计域壳体结构的支撑刚度最大化为设计目标优化后结构的体积比、最大应力和振动模态对应频率限制(以前 阶固有频率大于原结构各阶固有频率为约束)为设计约束开展拓扑优化设计得到全壳体设计域拓扑优化结果可以获得结构的主要传力路径及承力框架的结构布局具体见图()以优化后拓扑结构为基础结合推力器壳体的安装要求在 处固定耳处增加安装槽道并再次开第 卷 第 期 杨立博等:射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化 展拓扑优化获得体积比、最大应力和振动模态对应频率限制约束下带有安装槽道的结构传力路径见图()图 拓扑优化计算结果.点阵优化设计在 节结构拓扑优化结果基础上开展点阵填充空间的设计 考虑结构的空间包络约束要求以及电磁屏蔽对结构的连续包覆性要求将 节主传力路径上结构进行材料保留加厚空缺部分填充满足电磁屏蔽要求的点阵结构 经过设计估算确定了点阵结构的设计域(见图)图 点阵优化结构设计域.在点阵优化设计阶段与原安装结构对比提出以下设计目标)结构质量降低)安装结构的最大变形和最大应力均不增大)安装结构 阶振动频率大于 其他各阶振动频率均不降低)结构连续点阵结构最稀处满足电磁屏蔽要求通过调整点阵微结构的尺寸包络、点阵微小杆系的最大最小直径、点阵层数、点阵对实体的填充比等参数获得可满足电磁屏蔽的多个点阵拓扑优化结构其中力学性能最佳的点阵拓扑优化推力器壳体结构见图 图 点阵优化结果.加速度载荷下的推力器壳体点阵优化结构的应力分布和变形情况见图 点阵优化结构的前 阶模态振型变化趋势见图 优化设计结果与原方案对比见表 通过点阵优化结构与原方案的计算结果对比可见点阵优化结构前 阶模态对应的频率均有提升第、阶模态对应的频率分别提高 、而且点阵优化结构的模态从第 阶开始已经大于 较好地避开了推力器工作时的振动频率范围动力学性能优于原结构方案在加速度载荷下对比点阵优化结构与原方案的应力和变形情况可知点阵优化结构较原方案的、方向上的应力分别降低、充分反映了点阵结构在传力过程中应力分布得更加均匀同等加速度载荷下应力更低 点阵优化结构变形与原方案基本相当 向上的变形减少 即点火 箭 推 进 年 月 阵优化结构的刚度较原方案有所增强点阵优化结构与原方案对比可得:结构连续孔径满足电磁屏蔽要求在加速度载荷下的刚度指标基本保持不变强度指标优于原方案动力学性能显著提升结构质量减小 结构轻量化效果显著图 点阵优化结构在加速度载荷下的应力和位移云图.图 点阵优化结构模态振型.第 卷 第 期 杨立博等:射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化 表 方案对比 参数原方案点阵优化对比/动力学响应/阶 阶 阶 阶 阶 加速度载荷下最大应力/向 向 向 加速度载荷下最大变形/向 向 向 质量/结论)应用点阵结构进行优化时定义设计域可以充分利用拓扑结构优化方法并结合安装要求、使用要求等以获得最佳的设计域)在静力学和动力学条件约束下开展点阵拓扑优化得到了质量减轻 受载下应力降低 向刚度提升 动力学性能大幅提升的结构方案验证了设计方法的有效性为工程上同类型结构的拓扑优化提供了设计思路参考文献 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