新型运载火箭结构优化设计与试验验证

王金明，鲍国苗，刘 勇，顾铖璋，易 果，刘 博，吴春雷，亢 战

（1.上海航天精密机械研究所，上海 201600；2.上海航天技术研究院，上海 201109；3.上海宇航系统工程研究所，上海 201108；4.大连理工大学 运载工程与力学学部，辽宁 大连 116024）

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随着我国进入空间的需求不断增加，对运载火箭的运载能力和运载效率的要求也不断提高。其中，运载火箭的结构承载效率是制约运载效率提高的关键因素之一，而结构轻量化设计是提高结构承载效率的关键技术［1］。结构设计人员在基于高比强度、高比刚度结构材料方面做了很多研究工作，成功开发了如基于铝锂合金、复合材料的高性能运载火箭舱体结构。

近年来，随着结构优化理论和计算力学的不断发展，结构优化技术也逐步成为结构轻量化设计的主要手段，在航空航天领域得到了广泛的应用［2-5］。结构轻量化设计在航空航天结构设计中的应用案例见表1。由表可见，结构优化技术贯穿于航空航天结构概念设计、部件设计及具体零件设计等所有阶段。

根据设计变量的不同，结构优化可以分为拓扑优化、形状优化和尺寸优化［6］。其中，拓扑优化由于设计自由度最高，通常用于概念设计阶段，可以获得结构的传力拓扑特征。通过对传力拓扑包络的重构及详细传力拓扑特征的工程化表达，再利用形状与尺寸优化设计，可获得较优工程设计参数。

拓扑优化根据拓扑描述方式的不同，可以分为基于材料分布的方法与边界演化方法两类。……