研究和开发

使用集成计算机辅助设计系统及拓扑优化进行反射镜支架的重新设计

软件 集成计算机辅助设计系统, Altair OptiStruct
项目期间 2017 年

本开发使用“集成计算机辅助设计系统”为“信息卫星系统” 股份公司进行了。“集成计算机辅助设计系统”在俄罗斯联邦科学教育部和圣彼得堡彼得大帝理工大学补助金协议框内建立了。本协议规定进行“集成计算机辅助设计系统,为高技术产业设计轻体和坚固复合结构” 的开发。本协议在 “2014-2020年的俄罗斯科学技术体系的优先发展方向的研究和开发” 联邦目标计划框架内要执行了。

圣彼得堡彼得大帝理工大学有前途项目副校长, 圣彼得堡彼得大帝理工大学计算机工程中心领导A.I.Borovkov作为应用科学研究与实验开发领导; “联合火箭航天集团公司” 股份公司作为行业伙伴。

集成计算机辅助设计系统是一个增材制造设计系统,为高技术产业设计轻体和坚固复合结构。

圣彼得堡彼得大帝理工大学计算机工程中心(CompMechLab®)专家使用集成计算机辅助设计系统 (并且增加其他材料,技术方案及结构) 以及别的资源 (例如, 用“理工大学”超级计算机中心), 而且他们具有必需的专长及用复合材料3D打印 技术,所以他们在一个月内以拓扑优化为基础进行反射镜支架的重新设计 (执行责任人是计算机工程中心副主任A.S.Nemov

原始结构描述:

  • 本支架用于在航天器上支撑反射镜
  • 该产品是用板坯铣削加工制造的
  • 产品材料: 钛合金
  • 原产品重量: 934 克.

 
优化主要目的在于减低产品重量,但考虑到下列的限制:
  • 安全係數不下于2.0;
  • 一阶弹性固有频率不下于10 Hz

本模型被录入集成计算机辅助设计系统的结构数据库以及被拓扑优化。

优化模型特点

元件数

862 000个

组件数

165 000个

自由度数

494 000个

生产技术

使用EBM(电子束熔炼)方式3D打印

产品材料

Ti6Al4V ELI

 

 

用OptiStruct计算支架模型结果

由于拓扑优化重新设计的结果大幅减低产品重量:减低到531 克,即优化支架比原始件轻43%(支架减重值 出共计М = 403 克)。

根据模拟结果进行了优化产品的强度验算。

 

试验时模型特点

元件数

2百万个

组件数

452 000 个

自由度数

1.4 百万个

 

 

强度验算. X载荷测试场景

 

 

强度验算. Y载荷测试场景

 

强度验算. Z载荷测试场景

强度验算提出下列的结果:

  • 优化支架具有充分的强度, 因此安全係數在所有的载荷脚本不下于2.0
  • 带反射镜支架的一阶弹性固有频率超过10 Hz,实际是27.6 Hz
  • 使支架准备3D打印之前考虑到增材制造特殊条件

 
最终产品是一个优化支架,用于在航天器上支撑反射镜。最终产品适合所有规定的要求。

这个支架一会儿要交给订货方进行实现试验。

 

 
此类研究对航天行业有现实意义,因为可以减轻火箭和航天器结构重量:“PROTON-M”火箭发射费用大约是7千万美元,并且使1公斤物品送入低轨道费用大约是2 800 美元 ,送入地球同步轉移軌道费用大约是13 000美元。 优化支架使结构重量减轻403克,本身就已经是一个实际经济效果。 此外,由于先进模拟技术及增材制造优化可以制造较复杂的,刚性与轻体的网格结构以及准备3D打印。目前的宗旨在于系统及广泛应用这种技术以及培养人才。圣彼得堡彼得大帝理工大学“计算机辅助工程中心” CompMechLab®集团公司正在积极研究该问题。

2017年4月,拓扑优化和增材制造工作组领导人“计算机辅助工程中心”主管工程师Zhmailo M.A. 在第六届国际 “创新,技术,生产”技术论坛中 (雷宾斯克) 展会本项目。圣彼得堡彼得大帝理工大学先进生产技术学院与CompMechLab®工程中心作为本论云共同组织者。