载人航天某装置人机交互式结构优化设计

刘 磊，刘洪英，马爱军，胡清华，冯雪梅，石 蒙，董 睿，赵亚雄



载人航天某装置人机交互式结构优化设计

刘 磊，刘洪英，马爱军，胡清华，冯雪梅，石 蒙，董 睿，赵亚雄

（中国航天员科研训练中心，北京 100094）

为了解决复杂结构在动力学响应约束下优化的难题，综合人工以及计算机在复杂结构优化中的优点，提出一种人机交互式优化方法用于载人航天某复杂装置的优化设计。经过结构优化后的装置，在质量保持基本不变的情况下一阶振动频率提升41.1%，正弦试验条件下关心节点的最大加速度响应值减小24.3%，优化效果明显，满足优化设计要求，验证了该优化设计方法的可行、有效。

载人航天装置；结构优化；人机交互；动响应约束

0 引言

航天器发射过程中要经历复杂的动力学环境，因此在航天产品的研制过程中，振动是需要考虑的重要因素。同时，航天器质量也是一个重要因素，发射实践表明，每减少1kg质量，造价可以降低10000美元[1]。因此，如何提高有效载荷的质量占比成为航天器优化设计的重要研究方向。

航天产品研制过程中，设计师希望最初设计即为给定约束条件下的最优方案，然而事实是初始方案往往不能很好满足力学环境要求，或者材料有很大质量余量，因此需要根据一定原则对初始方案进行改进优化设计[2-4]。传统的优化方法，通常是依据设计者的经验反复对结构进行修改，以最终满足

设计要求，其优点是方向明确，设计中可综合考虑制造、安装等方面的要求，但缺点是无法获得最佳结构尺寸。而利用计算机通过数值迭代，可以得到收敛最优解；但对于复杂结构往往存在计算量过大的问题，特别是对于拓扑优化更甚；同时存在制造安装约束无法考虑周全、不宜实时调整的问题。

本文综合利用人工和计算机交互的方式在结构优化设计中的优点，以有效处理复杂结构优化中遇到的问题。

1 人机交互优化方法

本文针对动力学响应约束下的航天器复杂结构，提出一种人机交互式优化设计方法，其工作流程见图1。

图1 人机交互式结构优化设计流程图

首先建立结构的初始有限元模型，进行模态分析及频率响应分析，并根据分析结果利用人机交互拓扑调整方法对结构进行拓扑改进设计[5]；再对拓扑改进的结构进行动力学分析以验证拓扑改进的有效性；如此循环进行直至拓扑改进结构的力学特性满足要求[6-7]。然后对拓扑调整后的结构选取可优化的结构尺寸，并利用计算机优化软件通过数值迭代寻优获得满足动力学环境要求下质量最小的结构尺寸。最后对优化后的结构进行动力学响应分析与校验。其中在设计各个阶段均由设计者对优化后方案的满意度进行判断，如果不满意，则返回重新进行循环优化。

本文以载人航天某装置的设计与优化为例，验证该方法的实用性和有效性。

2 载人航天某装置优化设计分析

2.1 问题描述

正在研制的载人航天某装置是由外部框架结构和内部诸多单机组成，其中外部框架为薄壁梁结构，而内部单机为功能性产品，不宜进行内部结构调整，因而优化设计的对象为外部框架以及部分单机的安装位置。框架的建模采用二维面网格，单机采用六面体网格，装置的初始有限元模型见图2，图中以圆圈标注的位置为关心节点，因为其附近的单机为一精密仪器，在振动试验条件下的加速度响应不宜过大。

此装置优化目标为结构总质量最小，约束条件为装置刚度和强度满足要求：刚度要求为装置一阶振动频率尽量达到60Hz以上、正弦试验条件下关心节点加速度响应不超过5倍输入激励；强度要求为装置在正弦试验条件下最大vonMises应力不超过材料屈服极限。正弦振动试验载荷条件见表1。

图2 载人航天某装置有限元模型

表1 正弦振动试验载荷条件

优化问题的数学模型可以表示为

其中：Mass表示框架总质量；Frequency表示装置的一阶振动频率，0取60Hz；Acceleration表示正弦试验条件下关心节点的加速度响应输出值，在17～75Hz之间的取值为5倍的输入激励（6.86），即34.3；Stress表示正弦试验条件下的模型vonMises应力，s为材料的屈服极限，2A12材料的s值为280MPa。

2.2 人机交互拓扑调整

利用初始方案的有限元模型进行模态分析及频率响应分析，并根据分析结果对框架构造及部分单机安装位置进行人机交互拓扑调整，调整后重新进行动力学分析以验证优化效果[6-7]。图3为人机交互拓扑调整前后的结构一阶振动振型图。

对调整前的初始模型（图3(a)）进行分析发现，低阶频率下，悬挂在框架上的某单机振动过大，不能满足动力学环境要求；调整单机与底板的连接方式，即改为支架与底板直接相连后（图3(b)），响应分析表明关心单机的振动幅度明显下降，但框架整体刚度较低，使结构一阶振动频率仍较低；继而

在框架底梁与竖梁之间增加斜梁，并对部分单机底部支撑进行拓扑改进（图3(c)），改进后的结构一阶振动频率有了一定幅度提高，但距离调整目标仍有一定差距，同时还存在顶板局部振动过大的问题；故拓扑调整斜梁变为直跨梁，并对局部刚度较弱处增加斜撑，得到最终的调整方案（图3(d)）。表2为拓扑调整过程中4种结构的关心参数变化。