射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化.pdf
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1、收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划()作者简介:杨立博()男硕士高级工程师研究领域为等离子体应用总体设计 第 卷第 期 年 月火 箭 推 进 射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化杨立博石 波鲁海峰李济源谭 畅(西安航天动力研究所陕西 西安)摘要 针对射频离子推力器的壳体结构轻量化要求研究了点阵材料拓扑优化设计思路和方法首先通过静力学仿真和动力学仿真对原结构进行了分析获得了结构改进基础其次应用结构拓扑优化方法获得了结构的传力路径再次结合传力路径和壳体结构的安装使用要求获得了最佳的点阵材料优化设计域最后通过点阵材料优化设计获得了最佳的点阵拓扑优化结构方案与原结构进行对比优化方案质量减
2、小 动力学方面结构模态整体提升较好避开了推力器工作时的振动频率范围受载条件下结构最大应力降低达 应力分布更加均匀结构变形也相应减小结构刚度有所提升 优化后结构的轻量化和性能改善验证了设计方法的有效性关键词 射频离子推力器壳体轻量化点阵材料拓扑优化中图分类号 文献标识码 文章编号()()引言电推进具有高比冲、长寿命、小推力及长时间连续工作的优势可显著提升航天器的有效载荷质量比国内外航天发展都对电推进提出了大量需求 射频离子推力器作为一种电推进发动机主要由壳体、射频天线、放电室、屏栅、加速栅、气体分配器等构成结构原理图见图 其中壳体是推力器中质量占比最大的零件之一轻量化对降低发射成本、提高星上有效
3、载重具有重大意义图 射频离子推力器结构原理图.某型射频离子推力器壳体具有以下功能:壳体是射频离子推力器安装的基础推力器的主要零件都是依靠壳体支撑固定在承受静载荷时壳体的刚度和强度应满足连接需要壳体整个服役周期内需承受振动冲击等动载荷壳体结构的刚度和强度满足设计要求壳体有屏蔽外部电磁辐射的功能 该射频离子推力器的推力为毫牛级工作过程中承受的极限载荷是卫星发射时运载火箭产生的加速度载荷和振动冲击动载荷因此推力器壳体的结构设计以提高结构刚度为主要目标通过结构优化调整结构的自然频率来减轻与振动源的动力耦合降低结构在动态载荷下的应力拓扑优化作为常见的轻量化设计方法的一种其可获得结构设计域内的最佳传力路径
4、通过对所得路径上材料的保留或削减进行设计实现材料的优化分配 拓扑优化形成的结构一般为框架结构无法满足电磁屏蔽对结构连续性的要求 因此可以在拓扑优化的基础上开展点阵材料结构优化实现射频离子推力器的轻量化点阵材料作为一种桁架单胞结构周期排布的功能材料具有优异的比强度、比刚度、流体渗透性、传热性和减振吸能性等多种连续材料所不具备的特性并且电磁波在点阵材料的孔隙界面处能够发生反射和散射 可以达到良好的电磁屏蔽效果 随着增材制造技术的发展成熟点阵材料与拓扑优化相结合的优化方法得以实现应用目前已在汽车吸能结构、建筑隔热、航天航空轻量化以及生物医疗领域有成熟应用案例对于点阵材料拓扑优化方法的研究国内外开展了
5、理论研究 等提出了采用外回路和内回路方法的拓扑优化方法外回路优化材料宏观设计内回路采用均匀化法对点阵单元进行拓扑优化 廖中源等为实现变密度点阵结构体的优化设计提出了一种基于均匀化方法的多尺度拓扑优化方法 等将渐进均匀化方法用于点阵材料多尺度等几何拓扑优化证明了单胞拓扑结构在点阵结构最优分布密度中的作用 冯佳宾开展了变密度法在连续体与点阵材料拓扑优化中的应用研究提出了在宏观和微观量尺度上使用变密度法优化的点阵材料多尺度优化方法本文参考上述点阵拓扑优化方法思想针对某型射频离子推力器壳体基于变密度法开展最大刚度目标下点阵拓扑轻量化设计 首先获得原结构的力学性能指标作为设计基础然后对结构进行最大刚度拓
6、扑优化获得最优点阵材料设计域最后进行点阵材料的优化填充获得点阵材料拓扑优化结果 射频推力器壳体原结构分析 射频推力器壳体原结构某射频离子推力器总体结构见图()推力器内部设备连接固定于推力器壳体上其中 向位于推力器圆柱壳体的轴向方向 向、向位于推力器圆柱壳体的径向方向 因机加工工艺限制推力器壳体采用了框梁式薄壁加筋结构分割透视图见图()火 箭 推 进 年 月 图 射频离子推力器壳体.载荷分析在射频离子推力器随火箭发射阶段需承受较大的加速度和振动载荷具体见表 和表 最大加速度载荷为 向 随机振动频率分布在 范围内因此本文后续动力学分析主要分析 以内的模态表 加速度载荷 方向加速度/、方向加速度/保
7、持时间/加载速率/()表 随机振动条件 频率范围/功率谱密度 /总均方根值 结构承载能力分析及试验验证情况将壳体内与壳体相连的各零部件简化定义为集中质量点布置在实际结构的质心位置并赋予质量惯量特性通过静力学仿真和动力学仿真可以获得推力器壳体在加速度载荷和随机振动条件下的响应特性 推力器壳体在加速度载荷下的应力分布和变形情况见表 和图 推力器壳体 以内的模态计算结果见表 对应模态振型变化趋势见图 表 推力器壳体加速度载荷响应结果 加速度方向加速度量级/结构最大应力/结构最大变形/向 向 向 图 推力器壳体在加速度载荷下的应力和位移云图.第 卷 第 期 杨立博等:射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑
8、优化 表 推力器壳体模态分析结果 阶数固有频率/通过仿真结果分析可得出如下结果)加速度载荷下结构最大应力为 远小于材料的许用强度)加速度载荷下结构最大变形 远小于结构的最大变形要求图 推力器壳体模态振型.)结构的动力学性能前 阶模态均处于 以内或附近低阶模态有待提升射频离子推力器产品结构原方案通过加速度载荷试验和振动试验加载试验过程中结构无明显变形试后结构完好说明原结构受载时应力较小试验获得模态数据与仿真模态数据偏差在以内验证了仿真的准确性 因此可以将推力器原结构通过仿真分析方法获得的性能数据作为设计基准进行优化设计综上原结构很多区域强度和刚度余量过大但动力学性能有待提升可进一步开展结构轻量化
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