主要看點

行業：航空航天

挑戰：如何實現輕量化設計并保證優化設計結果的工藝性及美觀性。

Altair解決方案：

運用Altair Inspire進行拓撲優化設計，得到輕量化的設計結果；并利用PolyNURBS模塊進行建模，得到可以直接3D打印制造的設計模型。

優點

· 提升設計效率，節約大量時間；
· 設計模型與制造流程銜接更流暢；
· 輕量化設計，降低發射費用成本。

背景介紹

一直以來，人類看到的都是月球的同一面，使我們對月球背面的場景充滿了好奇。因此，探測月球“背面”成為航天事業中的一個熱點和難點問題。令人欣喜的是，由航天東方紅衛星有限公司參與研制的中國嫦娥四號中繼衛星在今年成功發射，這將有助于人類進一步揭開月球背面的神秘面紗。

本次發射的嫦娥四號中繼衛星工作軌道位于深空高軌，且還有兩個微小衛星搭載發射，動量輪支架屬于該衛星上重量較重的組件之一，為了實現減重，特對斜裝動量輪支架展開輕量化設計。

通過應用Altair公司的Altair Inspire對衛星斜裝動量輪支架進行優化及改進設計，將設計思路由原來的“先設計產品結構再校核產品性能”轉變為“先確定產品性能，再通過拓撲優化手段得出產品最終結構”，為衛星斜裝動量輪支架的結構方案選型提供了依據。

挑戰

首先，在運載發射能力受限的情況下，嫦娥四號中繼衛星的重量指標異常嚴格，因此亟需開展輕量化產品設計。對重量較重的斜裝動量輪支架的優化設計，意味著進一步提升了衛星載荷的可用重量，降低衛星發射的成本。

其次，在嫦娥四號中繼衛星上，動量輪是非常重要的姿控執行部件，其安裝精度直接影響衛星姿控。作為支撐動量輪的斜裝動量輪支架，傳統設計制造的方式是由鋁合金棒料機械加工而成的整體式薄壁零件，該結構形式的支架減重設計是在側壁上開形狀規則的減重孔及減小壁厚，存在壁厚太薄及減重孔太多時，支架加工過程容易發生變形，最終成形精度難以保證的問題。

如何實現斜裝動量輪支架減重的同時，仍滿足其機械接口、安裝約束、剛度、強度等各項指標，甚至兼顧來自拓撲優化設計結果的工藝性及美觀性？這些都是擺在衛星斜裝動量輪支架設計工程師們面前的種種挑戰。

“通過Altair Inspire優化設計的衛星斜裝動量輪支架，在加工完成后，安裝動量輪后在衛星上安裝。同時，按照衛星產品的研制規范，接受了上星驗證、力學驗證、飛行驗證等各項航天級環境試驗，并隨嫦娥四號中繼衛星成功飛行。目前該衛星已經成功入軌，狀態良好，開始執行既定任務。”

-- 劉質加部長  機熱工程部   航天東方紅衛星有限公司

解決方案

運用Altair Inspire進行拓撲優化設計

眾所周知，拓撲優化設計的基本思想是將尋求結構的最優拓撲問題，轉化為在給定的設計區域內尋求最優材料分布的問題，其目的是尋找承受單載荷或多載荷的物體最佳材料分配方案。市面上也有眾多成熟的商業軟件可供設計師們選擇，Altair Inspire因采用了Altair先進的OptiStruct優化求解器，同時界面友好易用，而備受設計工程師的青睞。本次衛星斜裝動量輪支架設計也選擇了采用Altair Inspire這一設計工具。

衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化設計流程

利用Altair Inspire，設計工程師首先對衛星斜裝動量輪支架優化前三維模型進行了前處理，此環節主要考慮的要素有：動量輪本體有4個安裝螺釘；安裝法蘭在腰部，背后突出進入支架內部；支架下端通過7個螺釘與衛星連接；姿控要求安裝角度為45°。

衛星斜裝動量輪支架優化前三維模型

在確認完衛星斜裝動量輪支架的機械接口、安裝空間、安裝要求等要素后，進入了對拓撲優化基礎模型的處理環節，這部分需要確認動量輪支架的設計空間、非設計空間、施加載荷及約束。例如設計空間為支架本體，需要預留回轉部分開口，以及安裝螺釘的操作空間；非設計空間需要考慮為動量輪安裝法蘭提供安裝面及4個螺釘孔。同時，由于支架下端是通過7個螺釘為衛星連接，所以按照固定支架處理。載荷加載在動量輪上，約束為7個螺釘孔，材料是鋁。

衛星斜裝動量輪支架拓撲優化基礎模型

拓撲優化是衛星斜裝動量輪支架優化設計流程中的關鍵環節，主要目的在于確定優化目標，并進行運算。衛星斜裝動量輪支架的拓撲優化是一次輕量化的設計，因此選擇保證一定剛度下的最小質量模式為優化目標，優化的最小剛度為250HZ，加載載荷為7個連接點的固定支架，在設置完成最小厚度壁厚就可以進行運算分析了。

最后，根據輸出優化目標滿足設定要求的數據，并調整拓撲材料分布滑塊，選擇連續實體形式，確定衛星斜裝動量輪支架優化設計結果。至此，通過以上步驟，設計工程師們利用Altair Inspire得到了在綜合考量重量情況下的衛星斜裝動量輪支架的優化傳力路徑及連接狀態。

衛星斜裝動量輪支架拓撲優化

衛星斜裝動量輪支架拓撲優化輸出結果

Altair Inspire自帶PolyNURBS功能，增材制造實現更容易

通過拓撲優化設計的零部件，傳統的制造工藝往往加工困難甚至無法制造，而增材制造（即3D打印）是一種先進的制造技術，通過采用層層堆積材料的方法來制造零件結構。相對于傳統的材料切削去除技術，增材制造能夠實現幾何高度復雜的結構快速“生長”成型，有相對較少的制造約束。尤其增材制造具有流程短、適合復雜結構等特點，給材料和結構設計者提供了豐富的想象空間，使傳統制造技術難于實現的結構變得易于實現，本次衛星斜裝動量輪支架優化設計的制造方式就選用了增材制造技術。

但傳統的CAD軟件在設計與優化產品時，通常是直上直下或是直接用布爾運算進行幾何實體操作，或是簡單的放樣，而當遇到形狀過于復雜的零部件時，存在很難將結果直接轉為CAD的挑戰。Altair Inspire對此有相應的解決辦法，采用Parasolid的多邊形建模——PolyNURBS，是用多邊形建模的方式解決工程問題，可以直接導入到其他的任何相關軟件進行制造流程的對接。

在衛星斜裝動量輪支架建模中，設計工程師就應用了Altair Inspire中的PolyNURBS模塊中的包覆、橋接、分割、布爾運算等功能，對拓撲優化設計結果進行重構。從衛星斜裝動量輪支架建模時的力學分析結果可知，基頻滿足剛度要求；校驗材料為AlSi10Mg（3D打印常用）；應力小于屈服強度，裕度大于1，強度設計滿足要求。

衛星斜裝動量輪支架建模時的力學分析

此外，還對衛星斜裝動量輪支架進行了光順處理，實現了對拓撲優化設計結果工藝性及美觀性的兼顧，得到了可以直接3D打印制造的設計模型。最后，衛星斜裝動量輪支架選擇航天529廠提供的AlSi10Mg鋁合金選區激光融化成型工藝（SLM）進行加工，支架減重50%。

衛星斜裝動量輪支架3D打印設計模型及打印成品

最終，通過Altair Inspire優化設計的衛星斜裝動量輪支架，在加工完成后，安裝動量輪后在衛星上安裝。同時，按照衛星產品的研制規范，接受了上星驗證、力學驗證、飛行驗證等各項航天級環境試驗，并隨嫦娥四號中繼衛星成功飛行。后續嫦娥四號中繼星將通過12次軌道控制飛往地月L2平動點Halo軌道。目前該衛星已經成功入軌，狀態良好，開始執行既定任務。

衛星斜裝動量輪支架在嫦娥四號中繼星上裝配示意圖

結論

回顧衛星斜裝動量輪支架的優化設計，可以發現設計工程師們采用了拓撲優化設計與增材制造加工相結合的方式，借助于Altair Inspire，首先設計出支架的合理傳力路徑，并對拓撲優化設計后的支架進行建模。在得到可以3D打印的設計模型后，采用激光融化成型工藝（SLM）進行加工。

Altair Inspire在本項目中發揮了關鍵作用，具體表現為：

· 相比原始設計，利用Altair Inspire快速得到了最優傳力路徑，簡化了設計流程，節約了時間成本；
· 基于Parasolid的多邊形建模——PolyNURBS， 有效解決傳統方式難以將結果直接轉為CAD模型的工程困擾，讓設計模型可以直接導入到其他任何相關軟件，進行制造流程的對接。
· 由Altair Inspire優化設計的衛星斜裝動量輪支架，其產品強度和精度滿足衛星產品研制的各項標準，并且減重效果明顯，成功實現減重50%，節省了衛星發射成本。