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某卫星天线机构铰链减重优化分析张华肖余之杜三虎何慧上海宇航系统研究所某卫星天线机构铰链减重优化分析Optimization for Hinge of AntennaMechanism of Satellite张华肖余之杜三虎何慧(上海宇航系统研究所)摘要：本文应用HyperMesh软件对某卫星天线机构较链进行了减重优化。优化过程以较 链锁定状态时的刚度响应为约束条件，以减轻较链质量作为目标。最后本文给出了铰链优化 前后的有限元模型及减重以后的整个机构的质量和刚度结果。关键词：较链机构 减重 优化HyperMeshAbstract his paper optimizes the hinge's weight of antenna mechanism of XX satellite with Hypermesh. The h inge's stiffness in locked status is taken as response, and hinge's weight loss is regarded as object in optimization. In conclusion, the whole hinge mechanism's FE (Finite Element) model is provided as well as its optimized weight and stiffness.Key words: hinge Mechanism， weight loss，optimization，HyperMesh1引言天线机构是卫星、飞船、和空间站必不可少的主要部件，当飞行器进入预定轨道后，天 线机构就在展开锁定机构的作用下由折叠收拢状态展开至锁定状态。本文进行优化分析的饺 链机构即为某型号卫星的天线展开锁定机构。饺链将天线与星体连为一体，天线展开时在主 展开机构的驱动下饺链带动天线侧板展开，展开到位后饺链自动锁定，并保持一定的刚度， 以满足天线展开频率和在各种载荷作用下卫星天线机构所要求的在轨平面度；此外，还要使 得饺链的质量最小以降低成本。因此有必要对饺链进行合理的设计，在刚度和质量之间寻求 一种平衡使之达到最优配置1 鉴此，本文采用HyperMesh对铰链做了初步的拓扑优化分析2从建模计算到结果评价 进行了卓有成效的探讨。优化过程以铰链锁定状态时的刚度为响应要求，以减轻铰链重量作 为目标，最后计算结果给出了优化后的铰链的拓扑结构、质量以及在各个工况作用下的刚度 情况。并且对铰链优化前后的刚度值和质量与目标刚度值和质量进行了对比，以考察和评价 优化获得的结果。2优化分析模型从图1可以看出铰链是一个机构系统，很难用有限元方法对整个铰链机构进行拓扑优化。 主要是因为其间涉及到接触非线性分析，想要获得比较满意的优化结果有很大困难，鉴此本 文将其简化分以下几个步骤进行：a.依据给定的工况和边界条件将铰链机构简化成三个部分，即公铰链、母铰链和锁定销， 由于锁定销质量较轻，减重的余地不多，主要对公铰链和母铰链分别进行拓扑优化；b对拓扑优化后的公铰链、母铰链和锁定销进行装配（通过施加约束方程将锁定后的铰 链机构近似为一个结构），校核整个机构的刚度情况。2.1输入条件优化分析所需的计算参数包括两部分，一是模型的几何参数，另一个是模型的材料参数。 模型的几何参数已经体现在CAD文件中，铰链全部采用钛合金TC4材料，材料的物理和力 学特性如下：弹性模量E = 117 GP a泊松比R =0.3密度 p = 4.43E + 03kg / m 3屈服强度。=93MPa边界条件见图1、表1和表2,在铰链锁定状态下，将公铰链一端的四个孔固支约束， 母铰链一端的四个孔施加六种工况的载荷，载荷方向和大小见表1和表2。优化计算过程中 的参考坐标系如图2。图1铰链机构展开状态时的边界条件和载荷3公钗链、母钗链的拓扑优化分析/1 J_图3和图4分别是母铰链和公铰链在没有进行拓扑优化前的有限元模型。拓扑优化的工 况和边界条件依据某卫星天线锁定状态时的铰链静刚度试验来确定，具体的简化过程如下：图3母铰链有限元模型图4公铰链有限元模型e e 6 B DODOOOQ 33H1KE烂姓姓 r(r(rr oouu FcFL - 对于母铰链部件，由图1所示，在母铰链的四个孔处施加X、Y、Z三个方向的拉压和剪 切力，同时也会产生绕X、Y、Z三个轴的扭矩，在转轴A和接触点C、D三个部位施加约束， 见图3。载荷和工况见表1：工况沿X轴正剪沿X轴反剪沿Y轴正剪沿Y轴反剪沿Z轴拉沿Z轴压载荷500N700N500N600N700N700N对于公铰链部件，由图1所示，在公铰链的四个孔处施加X、Y、Z三个方向的拉压和剪 切力，在转轴A和接触点C、D三个部位施加约束，见图5。载荷和工况见表2：工况沿X轴正剪沿X轴反剪沿Y轴正剪沿Y轴反剪沿Z轴拉沿Z轴压载荷500N700N500N600N700N700N从表1和表2的六个工况中取出三个工况（三个方向各取一个，沿X轴反剪，沿Y轴反 剪，沿Z轴压）作为一个组合工况，以三个工况单独作用下的静力分析为基础，以三个工况 的组合工况为依据提交HyperMesh的优化模块OptiStruct做拓扑优化分析，分析过程将结 构的体积分数作为约束，结构的加权应变能作为目标函数1,2同时考虑材料在工艺方面的对称性分布。最后获得母铰链、公铰链如图5、图6的拓扑优化结果:a母铰链单元密度分布情况 1 00e*00 1002b拓扑优化后的母铰链立视图>859»O1 <859H)1 <717X1 <57601 <4 34»4)1 <29E <151*41 <100e02图5母铰链优化后的材料分布和拓扑结构IXSIGH IURW EIMcnlCMn*>ft59e-01 <aste-oi <717e-01 <576»H)1 <43401 <2»3e4ll < 1 5te-01 <100e*02Max«1 00»«00 MR.-1 ODKI?a公铰链单元密度分布情况b拓扑优化后的公铰链立视图图6公铰链优化后的材料分布和拓扑结构4拓扑优化后的钗链刚度校核将优化后的母铰链和公铰链的拓扑结构重新划分有限元网格，并与锁定销进行装配组成 完整的铰链机构，如图7,在图2给出的总体坐标系下，根据给定的输入条件和计算的位移 可以计算出在上述六种工况下（X、Y轴的正剪反剪，Z轴的拉压）的刚度，同时可以计算出 在上述六种工况下绕X、Y、Z轴的正弯反弯六种工况下的刚度，见表3。作为比较，表4同 时也给出了铰链机构在优化前计算得出的刚度结果，对比优化前后铰链机构的刚度情况来表 明优化获得的成果，限于篇幅，本文不详述优化前铰链机构刚度的计算过程。图7优化后的铰链机构模型图8优化前的铰链机构模型表3拓扑优化后的铰链刚度结果工况载荷刚度结果单位质量(kg)沿X轴正剪500N5.76E+06N/m1.68沿X轴反剪700N5.73E+06N/m沿Y轴正剪500N1.89E+06N/m沿Y轴反剪600N1.88E+06N/m沿Z轴拉700N4.20E+06N/m沿Z轴压700N4.20E+06N/m绕X轴正弯84Nm3.73E+04N-m/rad绕X轴反弯70Nm3.72E+04N-m/rad绕Y轴正弯91Nm13.4E+04N-m/rad绕Y轴反弯91Nm13.4E+04N-m/rad绕Z轴正扭65Nm4.06E+04N-m/rad绕Z轴反扭78Nm4.11E+04N-m/rad表4拓扑优化前的铰链刚度结果工况载荷刚度结果单位质量(kg)沿X轴正剪500N7.94E+06N/m2.21沿X轴反剪700N7.94E+06N/m沿Y轴正剪500N2.66E+06N/m沿Y轴反剪600N2.67E+06N/m沿Z轴拉700N6.03E+06N/m沿Z轴压700N6.03E+06N/m绕X轴正弯84Nm5.23E+04N-m/rad绕X轴反弯70Nm5.21E+04N-m/rad绕Y轴正弯91Nm16.6E+04N-m/rad绕Y轴反弯91Nm16.6E+04N-m/rad绕Z轴正扭65Nm5.53E+04N-m/rad绕Z轴反扭78Nm5.55E+04N-m/rad5结论本文以减轻质量为目标，以铰链机构的刚度响应为约束条件，对整个机构进行了初步的 拓扑优化，铰链机构的有限元模型质量从优化前的2.21kg降到优化后的1.68kg，依据表3 和表4,对铰链机构在减重优化前后以及目标提出的的整体刚度和质量作了如表5的归纳， 从表中可以看出优化后的各个指标参数均满足目标要求。鉴于本文给出的结果没有考虑部件之间的摩擦和间隙，同时对机构施加的载荷和边界条件也 做了一些简化，因此这些结果适用于理想工况，优化后的铰链的刚度结果有待试验验证。表5指标刚度单位目标值优化前优化后KX>4.0 E+067.9E+065.7E+06N/mKY>1.0 E+062.7E+061.9E+06N/mKZ>1.0 E+066.0E+064.2E+06N/mK e X>1.5 E+045.2E+043.7E+04N-m/radK e Y>2.0 E+0416.6E+0413.4E+04N-m/radK e>1.5 E+045.5E+044.1E+04N-m/rad质量M<1.952.211.68kg备注优化前后的质量指的是有限元模型的质量，不包括实际铰链机构上的一些附属部件质量，如传感 器、螺钉等6参考文献2000。1 蔡新、郭兴文、张旭明，工程结构优化设计；中国水利水电出报社，北京，2 Altair.Optistruct Reference Manual.
