面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法

李增聪，陈燕，李红庆，田阔,*，王刚，高峰，王博

1. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室 工程力学系，大连 116024

2. 中国空间技术研究院 总体设计部，北京 100094

航天器中各舱段之间存在大量的回转曲面加筋型连接结构，其主要的功能是将一侧较大的集中力载荷均匀地扩散到另一侧。图1展示了东方红卫星平台[1]通过回转曲面加筋型的对接环结构，将主星结构的集中力载荷均匀地扩散到下面的推进舱结构。为了满足推进舱结构强度要求，需开展对接环结构设计，以实现集中力高效扩散。图2为运载火箭热分离式级间段结构，为了避免贮箱发生局部破坏，通过放射肋形式的短壳结构与贮箱连接进行集中力扩散。传统型放射肋结构形式可以一定程度上起到集中力扩散作用，但为了避免连接处局部强度不足往往采取过于保守的设计，易导致结构超重[2-3]。近年来，航天器结构向大型化、承载重型化的趋势发展。针对对接环、贮箱短壳这类典型的航天器回转曲面加筋结构，如何在大载荷、短距离条件下实现高效的集中力扩散设计，是一个亟待解决的难题。

图1 卫星平台对接环结构示意图[1]Fig.1 Schematic diagram of joint ring of satellite platform[1]

图2 贮箱短壳结构示意图[3]Fig.2 Schematic diagram of short shell of tank[3]

拓扑优化方法突破了传统的经验设计和类比设计方法，可以根据载荷条件、约束条件和优化目标，在给定的区域内对材料分布进行优化设计[4-6]。针对集中力扩散问题，学者们开展了拓扑优化方法的相关研究。牛飞等[2,7]基于连续体拓扑优化方法，提出了集中力扩散优化模型，相比传统放射肋设计方法，优化方案的应力分布更加均匀；……