一、前言

    衛(wèi)星研制是一項(xiàng)高成本、高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險的系統(tǒng)工程。設(shè)計(jì)重量的降低以及設(shè)計(jì)周期的縮短成為衛(wèi)星研制過程中兩個非常突出的問題。尤其是設(shè)計(jì)重量的降低，它有助于提升有效載荷的比重，提高整個航天器的機(jī)動性，同時降低發(fā)射成本，提高整個衛(wèi)星研制單位的競爭力。

    衛(wèi)星在發(fā)射時要承受復(fù)雜的靜態(tài)、動態(tài)載荷，在軌運(yùn)行時又要承受低振幅的擾動。因此，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量的降低程度以及精確結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度，對于整個衛(wèi)星設(shè)計(jì)重量有著決定性的影響，是衛(wèi)星成功與否的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/分析工具只是幫助設(shè)計(jì)者辨識哪些區(qū)域滿足應(yīng)力要求，那些區(qū)域應(yīng)力過大，從而幫助設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。但是，當(dāng)設(shè)計(jì)變量和約束過多，設(shè)計(jì)要求考慮結(jié)構(gòu)動力學(xué)的時候，這種人工設(shè)計(jì)方法 變得越來越困難，有時甚至是不可能的。這個時候借助于計(jì)算機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法便顯得十分必要了。

    國外汽車工業(yè)從20世紀(jì)90年代初就已經(jīng)開始了這方面的研究，至今已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用范圍從公共汽車、轎車到貨車幾乎涵蓋了所有現(xiàn)有車型。大多數(shù)的國外汽車企業(yè)如寶馬、豐田、奧迪和福特等企業(yè)均不同程度的采用了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行汽車的整體及局部設(shè)計(jì)，而國內(nèi)汽車企業(yè)只有極少數(shù)企業(yè)在局部構(gòu)件的設(shè)計(jì)上應(yīng)用了該技術(shù)。航空領(lǐng)域的典型應(yīng)用要數(shù)2003年Altair公司、Airbus公司和BAE SYSTEMS公司三方技術(shù)人員共同使用HyperWorks對A380機(jī)翼進(jìn)行減重設(shè)計(jì)的 案例。圖1便是優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果。第一階段采用傳統(tǒng)基于應(yīng)變能的拓?fù)鋬?yōu)化方法得到最佳的設(shè)計(jì)方案，隨后根據(jù)穩(wěn)定性和應(yīng)力約束的要求使用尺寸和形狀優(yōu)化方法來進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。僅僅用一星期的時間便完成了13根肋板的設(shè)計(jì)工作，并達(dá)到了單架飛機(jī)減重500kg的好成績。

    考慮到衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)以及應(yīng)用的特殊性，盡管一些專家對這一領(lǐng)域的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，但還沒有達(dá)到應(yīng)用的成熟程度。鑒于此，本文著重介紹美國Altair公司分析及優(yōu)化軟件HyperWorks以及其在衛(wèi)星機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景，以期能夠?yàn)閲鴥?nèi)同行提供一些參考，從而提高我國衛(wèi)星的整體設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)我國航天企業(yè)在國際市場上的競爭力。

二、HyperWorks的主要功能模塊

    HyperWorks集成了設(shè)計(jì)與分析所需各種工具，是一種用戶界面友好、功能強(qiáng)大的開放性CAE平臺。主要包括HyperMesh、MotionView、HyperGraph、HyperForm、HyperOpt和OptiStruct 六個模塊。基本可以滿足工程實(shí)際過程中設(shè)計(jì)、分析和數(shù)據(jù)處理等功能要求。本文結(jié)合衛(wèi)星工程的特點(diǎn)著重介紹結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化以及分析主要用到的HyperMesh、OptiStruct兩個功能模塊，并對其他模塊做簡要介紹。

    1.HyperMesh功能模塊

    HyperMesh是一個高性能、開放式的有限單元前后處理器，能夠在高度交互性和可視化的環(huán)境下驗(yàn)證及分析多種設(shè)計(jì)情況。這種高性能的有限元建模和后處理大大縮短了工程分析的周期，提高了分析的質(zhì)量和真實(shí)度。HyperMesh具有如CATIA、UG、Pro/ENGINEER和PATRAN等工業(yè)界主要的CAD數(shù)據(jù)格式接口，避免重新建模的麻煩。

    HyperMesh提供了整理和改進(jìn)輸入幾何模型，消除缺損和孔的工具。使用這些工具可以方便的進(jìn)行相鄰曲面邊界的壓縮，消除缺損、孔，修補(bǔ)面、體等，從而提高網(wǎng)格劃分的總體速度和質(zhì)量。同時具有云圖顯示網(wǎng)格質(zhì)量、單元質(zhì)量跟蹤檢查等方便的工具，及時檢查并改進(jìn)網(wǎng)格質(zhì)量，大大降低了用于建模和網(wǎng)格劃分的重復(fù)工作和費(fèi)用。

    自動網(wǎng)格劃分模塊是一個智能的網(wǎng)格生成工具，同時可以根據(jù)需要調(diào)整每一個曲面或邊界的單元密度、單元長度變化趨勢以及網(wǎng)格劃分算法等網(wǎng)格參數(shù)。設(shè)計(jì)者可以使用各種網(wǎng)格生成模板以及強(qiáng)大的自動網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行2D和3D有限元模型的建立。HyperMesh能夠快速利用高質(zhì)量的一階、二階四面體單元自動進(jìn)行封閉區(qū)域的網(wǎng)格劃分。四面體自動網(wǎng)格劃分模塊應(yīng)用強(qiáng)大的AFLR算法，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和CFD建模需要來選擇浮動或固定邊界三角形單元，對于一些不理想的局部區(qū)域可以選擇重新劃分。

    HyperMesh提供強(qiáng)大、完備的后處理功能組件，使用等值面、變形、云圖、瞬變、矢量圖和截面云圖等表達(dá)結(jié)果，幫助設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確地理解復(fù)雜的仿真結(jié)果。HyperMesh支持變形、線性、復(fù)合以及瞬變動畫顯示。可以直接生成BMP、JPG、EPS和TIFF等格式的圖形文件及通用的動畫格式。

    2.OptiStruct功能模塊

    OptiStruct是基于有限元的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化軟件，主要用于概念設(shè)計(jì)以及改進(jìn)設(shè)計(jì)。內(nèi)部包含一個快速、準(zhǔn)確的有限元求解器，設(shè)計(jì)者可以使用標(biāo)準(zhǔn)的單元庫和類型廣泛的邊界條件來優(yōu)化線性靜力和固有頻率問題。可以優(yōu)化出基于應(yīng)力、位移、固有頻率和拔模斜度等多種約束條件下的具有最小重量和最大性能的結(jié)構(gòu)。OptiStruct包含的實(shí)用程序OSSmooth可以生成IGES文件，可以方便地將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果反饋到CAD系統(tǒng)，為進(jìn)一步的分析、細(xì)節(jié)優(yōu)化以及加工提供了方便。OptiStruct模塊主要包括以下幾種功能。

    (1)拓?fù)鋬?yōu)化(topology optimization)。在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，找出滿足工程實(shí)際性能約束條件下最佳的材料分布。OptiStruct采用先進(jìn)的逼近和優(yōu)化方法來找到優(yōu)化的載荷路徑，提高了優(yōu)化的效率和速度。

    (2)形狀/尺寸優(yōu)化(shape/size optimization)。在保持結(jié)構(gòu)拓?fù)浜托螤畈蛔兊那疤嵯聦で蠼Y(jié)構(gòu)的最佳截面尺寸，從而使結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)者的意圖和目標(biāo)。

    (3)形貌優(yōu)化(topography optimization)。該技術(shù)可以在薄壁結(jié)構(gòu)上進(jìn)行沖壓筋位置、數(shù)量、方向、最大槽深及拉伸角度等參數(shù)的優(yōu)化。OptiStruct可以自動提供設(shè)計(jì)變量的建立和優(yōu)化控制，還可以使用OSSmooth生成的幾何模型反饋到CAD系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的性能分析和仿真。

    (4)可制造性優(yōu)化設(shè)計(jì)。在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)同時加入拔模斜度、拔模方向和局部最小/最大尺寸等影響加工制造的因素為約束條件，這樣使得結(jié)果的可制造性大大提高。這一技術(shù)主要用于鑄件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

    (5)焊接、鉚接優(yōu)化。可以最優(yōu)化布局結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)數(shù)目，通常才用最小化焊點(diǎn)體積作為目標(biāo)。OptiStruct的“*.hm.compcommand”文件包含焊接的使用推薦級別信息。

    3.其他功能模塊

    MotionView是通用動力學(xué)系統(tǒng)仿真及工程數(shù)據(jù)的前后處理器和可視化工具。可以進(jìn)行數(shù)據(jù)圖表繪制和高性能交互式三維動畫，同步多圖動畫及圖表繪制，整合各種來源的工程數(shù)據(jù)并形成圖表，能夠?qū)?fù)雜多體系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行解釋和表達(dá)。MotionView具有方便的用戶化接口，支持ADAMS、SIMPACK等多種動力學(xué)仿真軟件。

    Hyper Graph是一個強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖表工具，集成很多流行的文件接口。高度完善、先進(jìn)的數(shù)學(xué)引擎能夠處理最復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式。HyperGraph能夠通過數(shù)學(xué)表達(dá)式從已有的曲線建立新的數(shù)學(xué)曲線，內(nèi)建150多個數(shù)學(xué)函數(shù)和運(yùn)算符。同時可以進(jìn)行信號處理、曲線擬合、濾波、特征系統(tǒng)分析、積分和微分以及統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

    HyperForm是使用逆向逼近方法進(jìn)行高性能金屬板材成型仿真的有限元軟件。它集成了HyperMesh的優(yōu)異性能，可以讓零件設(shè)計(jì)人員、沖模設(shè)計(jì)人員快速進(jìn)行沖壓零件的多種解決方案的對比，幫助他們辨別并改正潛在的沖壓問題，使試驗(yàn)時間大大縮短，從而生產(chǎn)出更高質(zhì)量的零件。

    HyperOpt是一個非線性優(yōu)化工具，可以使用任意的分析代碼，應(yīng)用各種分析軟件進(jìn)行參數(shù)研究和模型調(diào)整。設(shè)計(jì)參數(shù)可以是任意實(shí)際輸入的數(shù)值或節(jié)點(diǎn)的位置。目標(biāo)函數(shù)可以最大、最小，也可以規(guī)定大于、等于或者小于一個指定值。

三、HyperWorks在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的潛在應(yīng)用

    目前，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要利用有限軟件首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，進(jìn)一步結(jié)合工程實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)以及模型試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。設(shè)計(jì)過程往往不是一次能夠完成的，需要反復(fù)修正，浪費(fèi)了大量的人力和物力成本。HyerWorks改變了這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，使得產(chǎn)品的問題在設(shè)計(jì)階段便可以被發(fā)現(xiàn)、修正，縮短了設(shè)計(jì)周期和成本。下面結(jié)合衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際來分析HyerWork在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的潛在應(yīng)用。

    1.主承力結(jié)構(gòu)

    主承力結(jié)構(gòu)就是衛(wèi)星的脊椎骨，支撐著整個衛(wèi)星的重量。因此，主承力結(jié)構(gòu)要求具有極強(qiáng)的剛性、穩(wěn)定性和高的動力學(xué)特性。例如，F(xiàn)Y-2系列衛(wèi)星主承力筒均采用鉚接結(jié)構(gòu)，鉚接點(diǎn)的分布與數(shù)量基本是工程經(jīng)驗(yàn)的積累，這種冗余設(shè)計(jì)必然要被精細(xì)化、精確化設(shè)計(jì)所替代。OptiStruct能夠在保證結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)要求的前提下合理布置鉚接點(diǎn)的位置和數(shù)量，從而降低結(jié)構(gòu)重量。

    2.蜂窩結(jié)構(gòu)材料

    蜂窩結(jié)構(gòu)材料以其質(zhì)量輕、剛性好而受到航天領(lǐng)域的親睞。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的支撐板、儀器板均采用蜂窩結(jié)構(gòu)材料，例如F Y-2號衛(wèi)星的儀器板。這些材料通常是從復(fù)材廠家直接購買，當(dāng)有些部分不能夠滿足實(shí)際使用時便要加入輔助的支撐構(gòu)件，無疑也增加了整個衛(wèi)星的重量。OptiStruct能夠根據(jù)實(shí) 際結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)蜂窩單元的形狀和排布方式，按照實(shí)際需要合理地分配結(jié)構(gòu)的剛性，減少了附加輔助支撐構(gòu)件。

    3.高精度單機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)

    衛(wèi)星上許多單機(jī)和系統(tǒng)對于其支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求極高。例如，F(xiàn)Y-2衛(wèi)星軸向發(fā)動機(jī)支撐結(jié)構(gòu)是碳纖維材料做成的三腳架結(jié)構(gòu)，因?yàn)榉糯罅考壧蠖坏貌话蚕鹉z并纏繞碳布來增強(qiáng)其穩(wěn)定性。FY-2衛(wèi)星的掃描輻射計(jì)是一個光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的高低直接決定著有效載荷的精度和拍攝效果，也就是整個衛(wèi)星性能的高低。此外，衛(wèi)星的工作環(huán)境溫差很大，溫度給光學(xué)系統(tǒng)帶來的誤差是不能忽略的因素。使用OptiStruct可以設(shè)計(jì)出不受溫度影響的所謂“熱鈍”材料，許多高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在這方面作了大量的研究工作。這項(xiàng)技術(shù)的成熟一定會帶來衛(wèi)星性能的大幅度提高。

    4.鑄件

    衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中也用到一些鑄件，多數(shù)是鎂合金，例如FY-2衛(wèi)星南北紅外地平儀支架、起旋肼瓶支架和大肼瓶支座等。使用HyerWorks可以在這些構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的時候加入拔模斜度約束、最小尺寸約束和最小倒角約束等，從而降低構(gòu)件在鑄造過程的不合格率。

四、實(shí)例分析

　　衛(wèi)星轉(zhuǎn)接環(huán)是連接衛(wèi)星與運(yùn)載的主要承力結(jié)構(gòu)，工作環(huán)境復(fù)雜、結(jié)構(gòu)剛性和動力學(xué)特性的好壞直接影響發(fā)射任務(wù)的成功與否。K.K.Sairajan在不影響原有結(jié)構(gòu)剛性、動力學(xué)特性以及其他子系統(tǒng)特性的情況下對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，結(jié)果減重0.8kg，一階頻率提高2.58Hz。采用2-D四邊形殼單元對轉(zhuǎn)接環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元劃分，共2699個節(jié)點(diǎn)2865個單元，如圖2所示。優(yōu)化后轉(zhuǎn)接環(huán)剖面圖，表1對比了優(yōu)化設(shè)計(jì)前后結(jié)構(gòu)總重量，一階、二階固有頻率，表2給出了個組成部分材料及其重量。

五、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用HyperWorks的幾點(diǎn)建議

　　目前，國內(nèi)衛(wèi)星研究院所結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的尺寸優(yōu)化方法，往往采用冗余設(shè)計(jì)的方法來保證結(jié)構(gòu)的可靠性。隨著對衛(wèi)星性能要求的日益提高、競爭的日益加劇，對于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求變得越來越苛刻，因此拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)越性變得越來越明顯。為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)衛(wèi)星工程發(fā)展的要求，為了HyperWorks軟件能夠更好地應(yīng)用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，筆者主要有以下幾點(diǎn)建議。

　　(1)盡快組織一支工程技術(shù)豐富、專業(yè)理論扎實(shí)的科研隊(duì)伍，從理論和實(shí)踐相結(jié)合的角度出發(fā)對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，為下一步的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

　　(2)與高校聯(lián)合進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化基礎(chǔ)理論的研究，在HyperWorks平臺的基礎(chǔ)上二次開發(fā)出適用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化特點(diǎn)的準(zhǔn)用軟件。相比較于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境苛刻，載荷條件復(fù)雜，面向一般工程實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化模塊OptiStruct并不能夠完全適用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的要求。高校具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢、大批優(yōu)秀的理論專家、極具創(chuàng)新思維的年輕研究者，這樣必能夠在理論上彌補(bǔ)研究所的不足。

　　(3)組建一支專門的試驗(yàn)隊(duì)伍。考慮到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)環(huán)境的特殊性，新的技術(shù)的應(yīng)用必然要經(jīng)歷反復(fù)的模擬環(huán)境試驗(yàn)的驗(yàn)證，有些技術(shù)甚至要搭載衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)際環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證。盡管研究所有專門的試驗(yàn)室、試驗(yàn)人員，但是研究所受型號任務(wù)急緩的限制必然造成預(yù)言性的試驗(yàn)被擱置的局面。因此，有必要組建一支專門的試驗(yàn)隊(duì)伍配合各專業(yè)組的研究工作，從而縮短研究周期。

六、結(jié)論

　　衛(wèi)星工作環(huán)境復(fù)雜，可靠性要求高，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用冗余設(shè)計(jì)來適應(yīng)這種要求。隨著國際市場競爭環(huán)境的變化，對產(chǎn)品性能要求的不斷提高，對衛(wèi)星的設(shè)計(jì)制造提出了新的要求和挑戰(zhàn)，使得設(shè)計(jì)者有必要進(jìn)行更優(yōu)、更精確的設(shè)計(jì)。HyperWorks集成了設(shè)計(jì)與分析所需各種工具，是一個功能強(qiáng)大的開放性CAE平臺。它在優(yōu)化和分析上的強(qiáng)大功能在汽車和航空領(lǐng)域都得到了很好的驗(yàn)證，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域必然也會有更加廣闊的應(yīng)用前景。