本發(fā)明屬于微納衛(wèi)星微推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，具體涉及一種基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法。

背景技術(shù)：

1、隨著技術(shù)的發(fā)展及對空間探索程度的不斷加深，對微納衛(wèi)星微推進系統(tǒng)有了更高的要求。在保證結(jié)構(gòu)具有良好性能的同時，實現(xiàn)在有限的空間內(nèi)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計減輕冗余質(zhì)量、提高材料利用率，進而增加有效載荷、降低成本是航天器結(jié)構(gòu)設計的目標。微推進貯箱作為微納衛(wèi)星的關鍵結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量在微納衛(wèi)星總重占比較大，是主要的可輕量化設計部件。為了達到進一步減小應力以及減輕貯箱重量的目標，需要對貯箱進行優(yōu)化。

2、現(xiàn)有的輕量化設計方法有許多：在原有結(jié)構(gòu)上設計減重孔，通過減少結(jié)構(gòu)的方式減重；替換輕質(zhì)材料，從整體的角度直接減少設計主體重量；填塞加強材料，以輕質(zhì)材料替換部分設計主體；使用輕質(zhì)材料在原有結(jié)構(gòu)的基礎上設計支撐結(jié)構(gòu)，從而減少原有結(jié)構(gòu)的壁厚等，但以上方法均有其局限性。

3、針對結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化主要有拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是在設計空間里找出傳力路徑以得到最優(yōu)的材料分布，幾何優(yōu)化是在給定結(jié)構(gòu)優(yōu)化各個組成構(gòu)件的截面尺寸，形狀優(yōu)化是調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)外邊界形狀來改善結(jié)構(gòu)性能，形貌優(yōu)化是通過改變薄殼結(jié)構(gòu)上加強筋的位置以及形狀以提高性能。

4、傳統(tǒng)貯箱加工方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜、加工道序種類多、生產(chǎn)組裝成本高且周期長。而增材制造技術(shù)，在一臺設備上就可快速精密地制造出復雜形狀的零件，解決了許多難加工材料復雜結(jié)構(gòu)零件的成形問題，近年來廣泛應用于國內(nèi)外航天領域復雜結(jié)構(gòu)零件的成形制造。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，通過對貯箱壁板結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，在滿足設計要求的同時減輕質(zhì)量，實現(xiàn)微推進貯箱的輕量化。對貯箱內(nèi)壁面的拓撲優(yōu)化過程即以壁厚、應力、固有材料等為邊界條件，通過對結(jié)構(gòu)特征的優(yōu)化，實現(xiàn)對應力分布狀態(tài)的優(yōu)化，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的過程。

2、實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，步驟如下：

3、s1：設計形貌優(yōu)化前的貯箱。

4、s2：明確結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計域，基于變厚度拓撲優(yōu)化設計方法，對貯箱內(nèi)部壁面進行拓撲優(yōu)化設計，并對貯箱形貌優(yōu)化前后應力分布狀態(tài)及質(zhì)量參數(shù)進行校核，以確認是否同時滿足優(yōu)化應力分布狀態(tài)與減輕系統(tǒng)質(zhì)量的設計要求。

5、s3：對拓撲優(yōu)化前后貯箱應力分布云圖，判斷貯箱的質(zhì)量與應力分布狀態(tài)是否得到優(yōu)化。

6、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：

7、(1)本發(fā)明所述拓撲優(yōu)化設計方法，對目標特征進行了有效的提取，將設計域與非設計域進行分割，實現(xiàn)對設計域的獨立化處理，減少了對結(jié)構(gòu)功能的影響，同時實現(xiàn)了對貯箱應力分布狀態(tài)的優(yōu)化及對貯箱結(jié)構(gòu)的輕量化設計。

8、(2)本發(fā)明所述拓撲優(yōu)化設計方法具有高度普適性，在規(guī)則容器或異型承壓容器設計中均可使用。

9、(3)本發(fā)明所述拓撲優(yōu)化設計方法設計域與設計參數(shù)自主可調(diào)，可高度符合3d打印等工藝要求，有效減少了傳統(tǒng)3d打印工藝限制下的結(jié)構(gòu)設計中的設計冗余。

10、(4)本發(fā)明所述拓撲優(yōu)化設計方法，操作簡單、實用性強。

技術(shù)特征：

1.一種基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s1中，設計形貌優(yōu)化前的貯箱，具體如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s1.1中，計算形貌優(yōu)化前的貯箱容積，具體如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s1.2中，設計外形結(jié)構(gòu)、機械接口，具體如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s1.3：計算壁厚，并評估強度：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s1.4中，進行三維建模，具體如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s1.5中，計算形貌優(yōu)化前的貯箱質(zhì)量及應力分布，具體如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s2中，明確結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計域，基于變厚度拓撲優(yōu)化設計方法，對貯箱內(nèi)部壁面進行拓撲優(yōu)化設計，并對貯箱形貌優(yōu)化前后應力分布狀態(tài)及質(zhì)量參數(shù)進行校核，以確認是否同時滿足優(yōu)化應力分布狀態(tài)與減輕系統(tǒng)質(zhì)量的設計要求，具體如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s2.1中，進行貯箱變壁厚拓撲優(yōu)化，具體如下：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，其特征在于，s2.2中，計算拓撲優(yōu)化后貯箱質(zhì)量及應力分布，具體如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于變厚度拓撲優(yōu)化的推進貯箱輕量化設計方法，通過對貯箱壁板結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，在滿足設計要求的同時減輕質(zhì)量，實現(xiàn)微推進貯箱的輕量化。對貯箱內(nèi)壁面的拓撲優(yōu)化過程即以壁厚、應力、固有材料等為邊界條件，通過對結(jié)構(gòu)特征的優(yōu)化，實現(xiàn)對應力分布狀態(tài)的優(yōu)化，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的過程。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有同時實現(xiàn)對貯箱應力分布狀態(tài)的優(yōu)化及對貯箱結(jié)構(gòu)的輕量化設計；普適性高，在規(guī)則容器或異型承壓容器設計中均可使用；與3D打印技術(shù)相合性高，有效減少了傳統(tǒng)3D打印工藝限制下的結(jié)構(gòu)設計中的設計冗余；操作簡單、實用性強的優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：梁振華,廖文和,張長東,竇云浩,周彥彤,曾詩敏,李怡
受保護的技術(shù)使用者：南京理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30