基于HyperWorks_OptiStruct的輻射制冷支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

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1、第10卷第11期2010年4月科學(xué)技術(shù)與工程Vol.10No.11Apr.20101671-1815(2010)11-2803-04ScienceTechnologyandEngineering2010Sci.Tech.Engng.航空航天基于HyperWorks/OptiStruct的輻射制冷支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)邢立坤孫麗崴(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)摘要輻射制冷器是一種通過向空間環(huán)境輻射熱量而獲得冷量的被動(dòng)制冷裝置，具有壽命長、無功耗、無干擾等突出優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于紅外

2、探測系統(tǒng)。輻射制冷器支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。基于HyperWorks/OptiStruct平臺(tái)并結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)完成了輻射制冷器支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果為結(jié)構(gòu)基頻95Hz，輻射制冷器中心對安裝底面的頻響放大倍數(shù)最大值為3.7，滿足系統(tǒng)要求。關(guān)鍵詞輻射制冷拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析中圖法分類號V474.1O327TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼A空間輻射制冷是利用宇宙空間自然的高真空、冷器支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。深低溫和黑熱沉等有利條件，通過輻射傳熱原理，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在概念設(shè)計(jì)階

3、段能夠激發(fā)設(shè)計(jì)使制冷器不斷向空間輻射熱量，同時(shí)盡可能多地屏人員的靈感，有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最佳功能和最小成本的［1］［3］蔽外部熱流，以達(dá)到被動(dòng)制冷的目的。輻射制冷結(jié)合，因此成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。器具有以下突出優(yōu)點(diǎn):壽命長，可適應(yīng)空間飛行任Altair公司的HyperWorks/OptiStruct軟件是全務(wù)的時(shí)間要求;無功耗，省去衛(wèi)星的有限能源供給;球最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件之一。本文基于Hy-無運(yùn)動(dòng)部件，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性;無機(jī)械perWorks/OptiStruct平臺(tái)，結(jié)合具體的設(shè)計(jì)要求

4、，對振動(dòng)和電磁干擾，對探測器件的工作性能沒有影響。某空間相機(jī)輻射制冷器支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，空間輻射制冷技術(shù)自1966年美國“雨云1號”并提出了加強(qiáng)方案。(Nimbus-1)衛(wèi)星首次搭載了圣.巴巴拉研究中心(SBRC)研制的單級圓錐型輻射制冷器以來，至今1輻射制冷器支撐設(shè)計(jì)已有30多年歷史，已被廣泛應(yīng)用于地球資源、氣象、1.1輻射制冷器支撐設(shè)計(jì)要求海洋等多種對地觀測和行星觀測、天文觀測衛(wèi)［2］輻射制冷器支撐的作用是連接輻射制冷器與星。輻射制冷技術(shù)在當(dāng)前迅速發(fā)展的空間紅外空間相機(jī)基板，結(jié)合空間相機(jī)整

5、體質(zhì)量分配與接口探測器用制冷技術(shù)中仍占有一席之地，仍然是空間設(shè)計(jì)要求，輻射制冷器支撐設(shè)計(jì)的具體目標(biāo)如下:應(yīng)用最主要的制冷技術(shù)之一，并具有廣泛的發(fā)展質(zhì)量小于20kg(選用鋁材料)，結(jié)構(gòu)一階頻率大于前景。80Hz，中心孔對底部安裝面的頻響放大倍數(shù)小于輻射制冷器在空間相機(jī)中所占的體積和質(zhì)量4。此外還需滿足中心孔對底面高度為465mm等比重都較大，而且往往帶有懸臂結(jié)構(gòu)，因此輻射制基本接口條件。1.2拓?fù)鋬?yōu)化基本原理2010年1月8日收到［4］第一作者簡介:邢立坤(1984—)，男，黑龍江人，碩士生，研究方向

6、:優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可表述為:空間結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析和優(yōu)化。E-mail:ak0398@gmail.com。最小化f()X=f(x1，x2，…，xn)2804科學(xué)技術(shù)與工程10卷約束條件gj()X≤0，j=1，…，m體積分?jǐn)?shù)最小，優(yōu)化約束為一階頻率不小于80Hz。hk()X=0，k=1，…，mh1.4優(yōu)化結(jié)果分析xL≤x≤xU，i=1，…，n。通過OptiStruct模塊對前述模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化iii式中，X=x1，x2，…，xn是設(shè)計(jì)變量;f(X)是目標(biāo)函計(jì)算，經(jīng)過80步的迭代，得到的優(yōu)化結(jié)果如圖2數(shù);

7、g(X)是不等式約束函數(shù);h(X)是等式約束函所示。數(shù);上角標(biāo)L是指下限，上角標(biāo)U是指上限。在OptiStruct中，目標(biāo)函數(shù)f(X)、約束函數(shù)g(X)與h(X)是從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計(jì)變量X是一個(gè)矢量，它的選擇依賴于優(yōu)化類型，在拓?fù)鋬?yōu)化中，設(shè)計(jì)變量為單元的密度。在拓?fù)鋬?yōu)化中，用連續(xù)變量的方式表示材料的分配問題。OptiStruct使用均勻化法和密度法定義材料的流動(dòng)規(guī)律。對于本文采用的密度法，每個(gè)單元的材料密度直接被作為設(shè)計(jì)變量，在0—1之間連續(xù)變化，0和1分別代表空或?qū)崱?.3初步優(yōu)化

8、建模首先在3D建模軟件中完成輻射制冷器支撐的圖2經(jīng)過80步迭代后的優(yōu)化結(jié)果圖三維初步建模，使其滿足必要的接口條件，然后導(dǎo)入HyperWorks。圖2所示的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果顯示了三個(gè)輕量化的方向(圖2中藍(lán)色區(qū)域)，通過簡單的探索性實(shí)驗(yàn)可知:對上圖①區(qū)域所代表的側(cè)板進(jìn)行去材料，支架的模態(tài)變化不大;對上圖②區(qū)域所代表的正面立板進(jìn)行去材料，支架的一階頻率降低明顯;對上圖③區(qū)域所代表的底板進(jìn)行取材料，支架的一階頻率略有降低。由于篇幅所限，此部分內(nèi)容不進(jìn)行詳細(xì)闡述。1.5輕量化設(shè)計(jì)與