航天器整流罩结构优化设计

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航天器整流罩作为飞行器的重要部件，在飞行过程中承受轴力，弯距和外压等外载荷 ，在外载荷作用下，整流罩应有足够的强度和刚度保证不破坏 ，不失稳，同时整流罩作为有效载荷的保护罩，飞出大气层后 ，保护作用完成，此时已成为多余的质量，为了提高效率，增大运载能力，整流罩会被适时抛掉，因此其结构质量应当旧能轻l1。为了满足总体性能的要求，保证有效载荷安装和彼此空间不干涉，某航天器整流罩壳体初始设计方案轴向长度和直径较大，同时壳体上有大开口，严重影响了结构的承载能力，提高了设计难度，初始设计方案外压稳定性不满足设计要求，根据传统设计经验，增大对外压稳定性影响较大的环向筋高度和宽度，改进设计后结构满足设计要求，但质量增加很多，改进方案不能保证质量的最优分布。为了满足满足强度、刚度和稳定性要求，并且保证质量的最优分布，提高运载能力，缩短结构设计选型周期，对整流罩结构进行优化设计是非常必要的。

采用 OptiStmct求解器对整流罩设计方案进行分析，选择对整流罩纵向筋、环向筋和壳体蒙皮来进行总体尺寸优化，使其在满足整体强度 、刚度和稳定性的情况下重量最轻，并对优化方案结果进行对比分析，确定出可供后续详细设计的参考方案。

2优化问题的数学表达优化设计可归结为求解-组设计变量，且满足约束条件，而其目标函数最小，优化问题可以归纳为以下数学模型口：设计变量： [ 2， ]在满足约束条件：岛( )岛( l， 2，， )≤0 ql，2，，m)( ) ( l， 2， ，2；n)0(kl，2， ，l

OptiStruct求解器具有强大优化功能，其尺寸优化可以对有限元模型的各种参数进行优化，从而实现减重的目的。而且尺寸优化支持离散优化 ，即优化出来的尺寸为离散数值 ，可以直接来稿日期：2012-10-14作者简介：程 昌，(1985-)，男，湖北天门人，工程师，硕士，主要研究方向：结构优化设计；范开春，(1965-)，男，湖北远安人，研究员，副总设计师，主要研究方向：结构总体设计和工艺研究50 机械设计与制造No.8Aug.2013表3设计变量初值及取值范围表Tab.3 Initial Value and Range of Design Variables以整流罩质量最小为目标，同时满足弯距最大工况壳体应力小大于 l IOMPa和外压最大工况-阶屈曲因子大于 1.5两个约束条件，采用 OptiStruct来对整流罩进行多工况的尺寸优化设计。

经过 l0步迭代计算后 目标值收敛，整流罩质量由初始设计方案的24.5kg减小到 23.9kg，相比传统改进设计方案质量减轻 4.3kg，减重达 15%。设计变量优化前后的数值，如表 4所示。经过优化后 ，整流罩壳体在弯距最大工况最大应力 107.6MPa，应力云图，如图5所永；在外压最大工况-阶屈曲因子 1.53，屈曲变形云图，如图6所示。

表4设计变量优化结果表Tab.4 Optimization Results of Design Variables图 5优化方案整流罩弯距最大工况应力云图Fig.5 Stress Contour of the Mimum Bending Momentof Optimization Fairing图6优化方案整流罩外压最大工况屈曲云图Fig.6 Bucking Contour of the MimumExternal Pressure of Optimization Fairing5结论通过对某航天器整流罩初始设计方案弯距最大和外压最大两个工况进行分析，发现整流罩壳体-阶屈曲因子较低，结构容易发生屈曲，稳定性不满足设计要求。

传统改进设计方法选择结构参数修改时没有方向性 ，势必会增大计算工作量，延长设计周期，同时结构质量也增加较多。

采用 OptiStruet优化技术对整流罩纵向筋、环向筋和壳体蒙皮进行尺寸优化设计，优化结果满足整体强度、刚度和稳定性要求，同时重量减轻 15%♂构优化设计技术能够缩短结构设计选型周期，保证质量最优分布，提高航天器运载能力，广泛适用于航天器结构设计。