[發明專利]一種應用于設備安裝轉接件的結構拓撲優化設計方法

在審

• 申請號: 202011287020.3
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112270048A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 吳建順;喬治;顧井峰;馮國成;陳樂平
• 申請（專利權）人: 北京機電工程研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F113/10
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本發明提出一種應用于設備安裝轉接件的結構拓撲優化設計方法，對設計的轉接件采用有限元分析、拓撲優化處理獲得優化的結構形式，結合設計的厚度優化算法對優化的轉接件進行規則化處理，再次通過有限元分析后獲得較優的轉接件結構，通過增材制造方法制造轉接件。該方法在設備安裝轉接件滿足零件功能/性能要求下實現輕量化，同時引入增材制造方法，提高零件制造效率，降低零件成本，縮短制造周期。

技術領域

本發明屬于航天產品結構設計優化領域技術，具體涉及設備安裝轉接件結構輕量化設計方法。該方法基于拓撲優化技術以及增材制造方法，實現設備安裝轉接件合理化、輕量化設計，縮短零件設計與制造周期，在滿足零件結構強度與剛度要求基礎上進行結構優化。

背景技術

隨著針對航天產品的研制要求不斷提高，為實現航天產品的更新換代，推陳出新，設計出更多具有競爭力的產品，各航天研究單位紛紛推出新的舉措，不斷采用新技術、新方法，實現產品質量提高與產品上市交付周期縮短雙目標。

為實現飛行器精確可靠飛行，需安裝多種設備及傳感器，鑒于某些設備及傳感器不能直接安裝于艙體之上，則需引入過渡零件，比如安裝支架、安裝板等，具體實施過程是首先實現設備或傳感器與過渡零件連接，再實現過渡零件與艙體的安裝。采用過渡零件安裝零部件，增加了零件數量，而零件數量的增多不僅增加了安裝工作量，同時增加了產品復雜程度及產品重量，直接影響產品制造效率，增加了出現質量問題的風險。

隨著飛行器飛行速度的增加，飛行器質量對飛行器飛行具有較大的影響，鑒于過渡零件的引入增加了飛行器質量，目前過渡零件采用的功能結構獨立設計的方式在空間和重量上的代價已成為制約型號武器研制的重要因素，結構輕量化設計迫在眉睫。

發明內容

本發明的目的在于提供一種應用于設備安裝轉接件的結構拓撲優化設計方法，該方法可在設計階段預先對設備安裝轉接件進行拓撲優化，在滿足產品功能/性能要求前提下實現產品設計輕量化。

本發明實現上述目的采用的技術方案如下：

一種應用于設備安裝轉接件的結構拓撲優化設計方法，包括如下步驟：

S1、根據需安裝設備及艙體結構形式設計轉接件結構形式；

S2、對轉接件進行有限元分析，獲得轉接件強度、剛度、模態性能及設備安裝所需其他性能，確定轉接件連接處強度、剛度不小于設計裕度后進行拓撲優化設計；

存儲轉接件表面網格點坐標值ain_ij與aout_ij，ain_ij為轉接件內側表面特征上網格點坐標值，aout_ij為轉接件零件外側表面特征上網格點坐標值；

S3、設定轉接件設計區域與非設計區域，以步驟S2中強度、剛度、模態性能及設備安裝所需其他性能要求作為約束條件，得到優化后轉接件結構形式；

S4、提取優化后轉接件內側表面、外側表面特征上網格點坐標值bin_ij與bout_ij，根據轉接件厚度優化算法f(h)，調整厚度變化比閾值t_h，設計多種結構方案；

H_ij＝|ain_ij-aout_ij|

S5、對設計的多種結構轉接件進行有限元分析，對比分析轉接件優化前后強度、剛度性能，選取較優轉接件結構；

S6、采用增材制造方法制造轉接件。

進一步地，所述非設計區域為轉接件邊界及連接處特征法向有材料一側厚度為h的區域。

進一步地，所述厚度h為3mm≤h≤5mm。