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基于非线性特性的空间站转位机构拓扑优化

刘汉武 李长军 金小萍 张华

刘汉武, 李长军, 金小萍, 张华. 基于非线性特性的空间站转位机构拓扑优化[J]. 空间科学学报, 2024, 44(5): 894-902. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0087
引用本文: 刘汉武, 李长军, 金小萍, 张华. 基于非线性特性的空间站转位机构拓扑优化[J]. 空间科学学报, 2024, 44(5): 894-902. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0087
LIU Hanwu, LI Changjun, JIN Xiaoping, ZHANG Hua. Topological Optimization of Spatial Indexing Mechanisms Based on Nonlinear Characteristics (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(5): 894-902 doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0087
Citation: LIU Hanwu, LI Changjun, JIN Xiaoping, ZHANG Hua. Topological Optimization of Spatial Indexing Mechanisms Based on Nonlinear Characteristics (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(5): 894-902 doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0087

基于非线性特性的空间站转位机构拓扑优化

doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0087 cstr: 32142.14.cjss2024.05.2023-0087
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(52275287)
详细信息
    作者简介:
    • 刘汉武 男, 1986年5月出生于四川绵阳市, 现为上海宇航系统工程研究所、宇航空间机构全国重点实验室高级工程师, 主要研究方向为结构与机构动力学、非线性动力学和拓扑优化分析等. E-mail: jingxi105@163.com
    通讯作者:
    • 张华 男, 1977年10月生, 现为上海宇航系统工程研究所、宇航空间机构全国重点实验室研究员, 研究方向为系统动力学与控制、复杂空间结构机构设计与优化等. E-mail: ases_zhang@163.com
  • 中图分类号: O343.5

Topological Optimization of Spatial Indexing Mechanisms Based on Nonlinear Characteristics

  • 摘要: 针对含非线性特性的空间站转位机构轻量化设计问题, 建立了考虑非线性特性的结构/机构拓扑优化分析方法, 通过模拟静力试验过程方法得到其力–位移曲线, 按照特定的原则提取出非线性结构的等效刚度, 得出转位机构捕获连接机构考虑非线性特性的分析结果与静刚度试验结果误差在10%以内, 满足工程实际应用需要, 说明了捕获连接机构非线性刚度分析方法的可行性. 采用变密度法(SIMP), 建立了含非线性特性的转位机构拓扑优化模型, 开展了空间站转位机构中间支架拓扑优化分析和减重设计, 结构减重24%. 分析结果表明, 转位机构满足刚度和强度要求, 实现了空间站转位机构轻量化设计的目标, 说明了该分析方法的有效性. 本研究建立的含局部非线性特性的拓扑优化分析方法为空间站转位机构轻量化设计提供了解决途径, 也为其他非线性结构机构拓扑优化提供了参考, 同时为中国空间站重点工程项目的建设提供了技术支撑.

     

  • 图  1  空间站转位机构

    Figure  1.  Space station transposition mechanism

    图  2  转位机构工作原理

    Figure  2.  Working principle of indexing mechanism

    图  3  捕获机构接触原理模型

    Figure  3.  Capture mechanism contact principle model

    图  4  捕获机构非线性模型及加载坐标

    Figure  4.  Capture the nonlinear model and loading coordinates of the mechanism

    图  5  x方向力–位移曲线

    Figure  5.  x-axis force-displacement curve

    图  6  y方向力–位移曲线

    Figure  6.  y-axis force-displacement curve

    图  7  z方向力–位移曲线

    Figure  7.  z-axis force-displacement curve

    图  8  x方向刚度–位移曲线

    Figure  8.  x-axis stiffness-displacement curve

    图  9  y方向位移–刚度曲线

    Figure  9.  y-axis stiffness-displacement curve

    图  10  z方向位移–刚度曲线

    Figure  10.  z-axis stiffness-displacement curve

    图  11  捕获连接机构静刚度试验

    Figure  11.  Capture the static stiffness test of the connection mechanism

    图  12  x方向位移–刚度曲线试验与对比

    Figure  12.  Comparison of x-axis stiffness-displacement curve testing and analysis

    图  13  y方向位移–刚度曲线试验与对比

    Figure  13.  Comparison of y-axis stiffness-displacement curve testing and analysis

    图  14  z方向位移–刚度曲线试验与对比

    Figure  14.  Comparison of z-axis stiffness-displacement curve testing and analysis

    图  15  空间站转位机构分析模型

    Figure  15.  Analysis model of the space station’s transposition mechanism

    图  16  优化区域初始模型

    Figure  16.  Initial optimization area model

    图  17  拓扑优化结果

    Figure  17.  Topology optimization results

    图  18  优化改进后模型

    Figure  18.  Optimized and improved model

    图  19  总柔度收敛曲线

    Figure  19.  Total softness convergence curve

    图  20  转位机构基频44.2 Hz

    Figure  20.  Sublocation mechanism has a fundamental frequency of 44.2 Hz

    图  21  支架应力云图

    Figure  21.  Stent stress cloud map

    表  1  分析刚度值 (单位: kN·mm–1)

    Table  1.   Analysis values of the stiffness (Unit: kN·mm–1)

    工况线性非线性
    Px424.584.6
    Py49.813.8
    Pz50.010.8
    下载: 导出CSV

    表  2  刚度值对比

    Table  2.   Comparison of stiffness values

    工况 刚度/(kN·mm–1) 误差/(%)
    分析值 试验值
    Px 84.6 78.1 8.3
    Py 13.8 13.3 3.8
    Pz 10.8 11.6 –6.9
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-18
  • 修回日期:  2024-03-15
  • 网络出版日期:  2024-05-17

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