一体化公用服务舱结构优化设计

论文摘要

公用服务舱是一体化飞行器公用服务系统的结构主体。本文围绕推进系统(储箱)和设备进行一体化设计。提出公用服务舱结构模块化设计,以及在一体化、模块化设计基础上的结构优化方案。本文所提出的一体化公用服务舱结构优化设计方案,具备良好的工程应用价值。首先简要介绍了本文的工程实际应用背景,阐明了本文研究的出发点和意义。然后对目前公用服务舱结构设计和结构优化相关问题的研究现状进行了归纳和总结。给出了公用服务舱的模块化设计,提出适用于承力筒设计的基本结构单元和单元组合方式。公用服务舱结构模块化设计在缩短卫星制造周期,降低制造成本这一类工程问题中有显著的优势。讨论了常用的蜂窝板等效理论的适用性,并在夹心板理论的基础上提出了包含蜂窝芯层特征参数的蜂窝板夹层结构优化设计方法。通过引进蜂窝胞元壁厚边长比为一设计变量,将正交异性材料的众多参数关联到这个单一变量,应用MSC.Nastran为解算器,优化效果良好。从连续化方法的角度来研究模块组合优化问题,提出了求解模块组合优化问题的方法,特点是以模块序号为设计变量,构造模块单元集的特性曲线,建立起等价的连续优化模型,然后利用连续优化软件进行求解。使得只需利用通用结构优化软件求解相应的连续优化问题即可求解原问题松弛问题的最优解,结合分支定界法可以求得原离散问题的最优解。数值算例表明了所提出方法的可行性和有效性。最后,将模块组合优化方法应用于某公用服务舱的结构优化设计。首先建立起了离散变量结构优化设计问题的模块组合优化问题,然后利用所提出的模块组合优化问题连续化方法,建立起了相应的连续变量优化模型,使得解析的数学规划算法成为求解离散变量优化问题有力的工具。以Patran为前后处理器,优化问题建模和求解简单、直观。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 卫星的承力形式
• 1.2.2 布局优化设计
• 1.2.3 星箭力学环境优化技术
• 1.2.4 蜂窝夹层结构的力学研究
• 1.3 本文的主要研究内容及论文框架
• 1.3.1 本文的主要研究内容
• 1.3.2 论文的主要结构
• 第2章 公用服务舱结构模块化设计
• 2.1 制定模数基准
• 2.2 模块单元设计
• 2.2.1 蜂窝板模块设计
• 2.2.2 轴向桁条
• 2.2.3 周向桁条
• 2.2.4 结构相关模块
• 2.3 模块组合衍生方式
• 2.4 模块组配演示
• 2.5 本章小结
• 第3章 蜂窝夹层板结构的等效计算以及优化设计
• 3.1 概述
• 3.2 蜂窝夹层板结构的等效计算
• 3.2.1 夹心板理论
• 3.2.2 蜂窝板理论
• 3.2.3 等效板理论
• 3.3 结构模块的优化设计
• 3.3.1 优化模型的建立
• 3.3.2 蜂窝板模块的优化设计
• 3.3.3 蜂窝板模块优化结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于MSC.Nastran的模块组合优化
• 4.1 MSC.Nastran求解连续变量优化问题
• 4.1.1 MSC结构优化软件的寻优策略
• 4.1.2 Kuhn-Tucker条件
• 4.2 离散变量结构优化设计
• 4.2.1 离散变量优化设计的特点
• 4.2.2 分支定界法
• 4.2.3 加速的分支定界法
• 4.3 模块组合优化问题的连续化方法
• 4.3.1 确定蜂窝板模块单元
• 4.3.2 模块单元特性曲线
• 4.3.3 优化模型的建立
• 4.3.4 优化设计流程图
• 4.4 铝蜂窝板组合优化实例分析
• 4.4.1 三种结构形式的铝蜂窝板优化
• 4.4.2 应用分支定界法求离散问题最优解
• 4.5 本章小结
• 第5章 模块组合优化在公用服务舱设计中的应用
• 5.1 设计任务简述
• 5.2 结构优化模型的建立
• 5.2.1 布局方案
• 5.2.2 单元库的选用
• 5.2.3 模块组合优化数学模型
• 5.3 结构优化有限元模型
• 5.3.1 模型简化
• 5.3.2 材料属性
• 5.3.3 构造模块组合优化松弛问题
• 5.4 模块组合优化结论与分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 MSC.Nastran中设计变量的连接
• 附录2 系列蜂窝板设计变量迭代过程
• 附录3 应用三种等效理论得到的等效参数
• 附录4 十六单元板的分支定界寻优步骤
• 附录5 公用服务舱基频优化过程
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢